第九章胚胎誘導(dǎo)

1、授課教師：吳中華授課教師：吳中華授課專業(yè)：生物科學(xué)授課專業(yè)：生物科學(xué)二零一四年二零一四年第九章第九章 胚胎誘導(dǎo)胚胎誘導(dǎo) 胚胎誘導(dǎo)胚胎誘導(dǎo)(embryonic induction)是發(fā)育過程中通是發(fā)育過程中通過細(xì)胞間的相互作用來決定細(xì)胞命運(yùn)和使細(xì)胞定向分化的過細(xì)胞間的相互作用來決定細(xì)胞命運(yùn)和使細(xì)胞定向分化的一個(gè)最根本的現(xiàn)象，它幾乎發(fā)生在胚胎發(fā)育的任何時(shí)期與一個(gè)最根本的現(xiàn)象，它幾乎發(fā)生在胚胎發(fā)育的任何時(shí)期與任何組織和器官的形成過程中。任何組織和器官的形成過程中。 “誘導(dǎo)誘導(dǎo)”這一概念可以簡單地定義為兩組細(xì)胞的相互作這一概念可以簡單地定義為兩組細(xì)胞的相互作用，其中一組細(xì)胞影響另一組細(xì)胞的命運(yùn)或分化方

2、向。用，其中一組細(xì)胞影響另一組細(xì)胞的命運(yùn)或分化方向。 1924年德國科學(xué)家年德國科學(xué)家Hans Spemann和他的學(xué)生和他的學(xué)生Hilde Mangold才用實(shí)驗(yàn)證明了才用實(shí)驗(yàn)證明了“誘導(dǎo)誘導(dǎo)”在發(fā)育中的在發(fā)育中的存在。存在。 以蠑螈胚胎為材料，進(jìn)行了把背唇細(xì)胞移植到受體胚以蠑螈胚胎為材料，進(jìn)行了把背唇細(xì)胞移植到受體胚胎腹部的研究工作。胎腹部的研究工作。 將深色素胚胎的背唇將深色素胚胎的背唇(A)移植到無色素胚胎的腹部移植到無色素胚胎的腹部(B)，原腸作用過程，原腸作用過程中，宿主胚胎的背部和腹部同時(shí)開始內(nèi)陷中，宿主胚胎的背部和腹部同時(shí)開始內(nèi)陷(C)，最后形成兩個(gè)胚胎，最后形成兩個(gè)胚胎(D)

3、。從橫切面上可以看到被誘導(dǎo)的次級(jí)結(jié)構(gòu)中，移植的背唇主要形成脊索，從橫切面上可以看到被誘導(dǎo)的次級(jí)結(jié)構(gòu)中，移植的背唇主要形成脊索，神經(jīng)底板和小部分肌節(jié)細(xì)胞，而大部分肌節(jié)細(xì)胞和神經(jīng)管由宿主細(xì)胞神經(jīng)底板和小部分肌節(jié)細(xì)胞，而大部分肌節(jié)細(xì)胞和神經(jīng)管由宿主細(xì)胞組成組成 移植的背部細(xì)胞具有移植的背部細(xì)胞具有“指導(dǎo)指導(dǎo)”或或“組織組織”其他細(xì)胞分化其他細(xì)胞分化的能力，因此的能力，因此Hans Spemann把這些背部細(xì)胞稱為把這些背部細(xì)胞稱為“組組織者織者”（organizer）目前人們把背部邊緣區(qū)細(xì)胞稱為）目前人們把背部邊緣區(qū)細(xì)胞稱為“Spemann organizer或或Spemann-Mangold or

4、ganizer”。 人們對(duì)人們對(duì)“組織者組織者“的分子基礎(chǔ)和作用機(jī)制才開始有了真的分子基礎(chǔ)和作用機(jī)制才開始有了真正的認(rèn)識(shí)。但這也首先得益于人們對(duì)包括正的認(rèn)識(shí)。但這也首先得益于人們對(duì)包括“組織者組織者”在內(nèi)在內(nèi)的整個(gè)中胚層形成或誘導(dǎo)的研究基礎(chǔ)，因此這里首先介紹的整個(gè)中胚層形成或誘導(dǎo)的研究基礎(chǔ)，因此這里首先介紹三個(gè)胚層的命運(yùn)決定和誘導(dǎo)的分子機(jī)制。三個(gè)胚層的命運(yùn)決定和誘導(dǎo)的分子機(jī)制。 第一節(jié)第一節(jié) 中胚層誘導(dǎo)中胚層誘導(dǎo)圖圖9.2 Nieuwkoop中胚層誘導(dǎo)實(shí)驗(yàn)示意圖中胚層誘導(dǎo)實(shí)驗(yàn)示意圖 在囊胚期將動(dòng)物極的外胚層和植物極的內(nèi)胚層進(jìn)行組織重組，培在囊胚期將動(dòng)物極的外胚層和植物極的內(nèi)胚層進(jìn)行組織重組，培

5、養(yǎng)重組的胚胎組織，結(jié)果外胚層分化成為中胚層。組織重組實(shí)驗(yàn)揭示養(yǎng)重組的胚胎組織，結(jié)果外胚層分化成為中胚層。組織重組實(shí)驗(yàn)揭示了中胚層誘導(dǎo)的現(xiàn)象了中胚層誘導(dǎo)的現(xiàn)象 中胚層的形成是被誘導(dǎo)而產(chǎn)生的。更重要的是背部內(nèi)胚中胚層的形成是被誘導(dǎo)而產(chǎn)生的。更重要的是背部內(nèi)胚層能誘導(dǎo)預(yù)定外胚層細(xì)胞形成脊索、肌節(jié)等背部中胚層組層能誘導(dǎo)預(yù)定外胚層細(xì)胞形成脊索、肌節(jié)等背部中胚層組織，而腹部內(nèi)胚層誘導(dǎo)預(yù)定外胚層細(xì)胞分化成血細(xì)胞、腎織，而腹部內(nèi)胚層誘導(dǎo)預(yù)定外胚層細(xì)胞分化成血細(xì)胞、腎等腹部類型的組織。等腹部類型的組織。 具有背部中胚層誘導(dǎo)能力的植物極細(xì)胞被稱為具有背部中胚層誘導(dǎo)能力的植物極細(xì)胞被稱為Nieuwkoop中心中心(

6、 Nieuwkoop center)。 進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)起誘導(dǎo)作用的分子是進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)起誘導(dǎo)作用的分子是TGF (transforming growth factor ）超家族的一個(gè)成員）超家族的一個(gè)成員Activin,并且不同濃度的并且不同濃度的Activin可以誘導(dǎo)產(chǎn)生不同類型可以誘導(dǎo)產(chǎn)生不同類型的中胚層組織。后來發(fā)現(xiàn)的中胚層組織。后來發(fā)現(xiàn)TGF 超家族的其他成員超家族的其他成員Nodal相關(guān)蛋白也有同樣作用。相關(guān)蛋白也有同樣作用。 中胚層誘導(dǎo)機(jī)制：爪蟾胚胎中胚層誘導(dǎo)的中胚層誘導(dǎo)機(jī)制：爪蟾胚胎中胚層誘導(dǎo)的“兩步驟兩步驟”模型模型在囊胚中期，高表達(dá)在背部的在囊胚中期，高表達(dá)在背部的-ca

7、tenin與處在植物極的轉(zhuǎn)錄因子與處在植物極的轉(zhuǎn)錄因子VegT和母源和母源TGF 家族成員家族成員Vgl作用在內(nèi)胚層細(xì)胞中產(chǎn)生作用在內(nèi)胚層細(xì)胞中產(chǎn)生Nodal分子梯度。分子梯度。Nodal分子梯度誘導(dǎo)中胚層的形成：低濃度的分子梯度誘導(dǎo)中胚層的形成：低濃度的Nodal誘導(dǎo)腹部中胚層而高誘導(dǎo)腹部中胚層而高濃度的濃度的Nodal誘導(dǎo)產(chǎn)生誘導(dǎo)產(chǎn)生Spemann“組織者組織者”。Nieuwkoop中心處在背中心處在背部內(nèi)胚層并具有誘導(dǎo)部內(nèi)胚層并具有誘導(dǎo)“組織者組織者”的能力。在這個(gè)模型中，的能力。在這個(gè)模型中， -catenin被被認(rèn)為分布在胚胎的整個(gè)背部，包括背部的內(nèi)、中和外胚層。認(rèn)為分布在胚胎的整個(gè)

8、背部，包括背部的內(nèi)、中和外胚層。 VegT在啟動(dòng)中胚層誘導(dǎo)和在啟動(dòng)中胚層誘導(dǎo)和3個(gè)胚層命運(yùn)決定中起關(guān)鍵性作用。個(gè)胚層命運(yùn)決定中起關(guān)鍵性作用。VegT功能的缺失使預(yù)定中胚層分化成外胚層，而預(yù)定內(nèi)胚層分化成功能的缺失使預(yù)定中胚層分化成外胚層，而預(yù)定內(nèi)胚層分化成中胚層和外胚層。中胚層和外胚層。 FGF（fibroblast growth factor)和和BMP(bone morpgogenetic protein)家族成員也參與調(diào)節(jié)中胚層的誘導(dǎo)和家族成員也參與調(diào)節(jié)中胚層的誘導(dǎo)和分化。但是在體外實(shí)驗(yàn)中，高濃度的分化。但是在體外實(shí)驗(yàn)中，高濃度的FGF只能誘導(dǎo)外胚層分化成肌節(jié)，只能誘導(dǎo)外胚層分化成肌節(jié)，

9、而而BMP4和和BMP7只誘導(dǎo)形成腹部中胚層如血細(xì)胞等。在體內(nèi)，只誘導(dǎo)形成腹部中胚層如血細(xì)胞等。在體內(nèi)，F(xiàn)GF信號(hào)通路的缺失使胚胎不能形成軀干和尾部結(jié)構(gòu)。說明信號(hào)通路的缺失使胚胎不能形成軀干和尾部結(jié)構(gòu)。說明FGF信號(hào)信號(hào)通路自身不具有誘導(dǎo)背部中胚層或通路自身不具有誘導(dǎo)背部中胚層或“組織者組織者”的能力。的能力。 在爪蟾的胚胎中，在爪蟾的胚胎中， Nodal梯度的建立與母源的經(jīng)典梯度的建立與母源的經(jīng)典Wnt信號(hào)通路信號(hào)通路的重要成分的重要成分 -catenin在背部的集中分布有密切關(guān)系。由于在背部的集中分布有密切關(guān)系。由于-catenin在背部的積累激活了經(jīng)典在背部的積累激活了經(jīng)典Wnt信號(hào)通路

10、。同時(shí)表達(dá)經(jīng)典信號(hào)通路。同時(shí)表達(dá)經(jīng)典Wnt信號(hào)和信號(hào)和VegT及及Vgl的內(nèi)胚層細(xì)胞代表了的內(nèi)胚層細(xì)胞代表了Nieuwkoop中心。這中心。這樣樣Wnt信號(hào)通路與信號(hào)通路與VegT和和Vgl等母源轉(zhuǎn)錄因子協(xié)同作用誘導(dǎo)等母源轉(zhuǎn)錄因子協(xié)同作用誘導(dǎo)Nodal家族成員在背部的表達(dá)量高于側(cè)部和腹部。因此，高濃度的家族成員在背部的表達(dá)量高于側(cè)部和腹部。因此，高濃度的Nodal蛋蛋白誘導(dǎo)產(chǎn)生背部中胚層或白誘導(dǎo)產(chǎn)生背部中胚層或“組織者組織者”，而低濃度的，而低濃度的Nodal蛋白誘導(dǎo)形蛋白誘導(dǎo)形成側(cè)部或腹部中胚層。成側(cè)部或腹部中胚層。 第二節(jié)第二節(jié) 內(nèi)胚層命運(yùn)的誘導(dǎo)內(nèi)胚層命運(yùn)的誘導(dǎo) 在爪蟾胚胎中，植物極含有較

11、大卵黃顆粒的細(xì)胞分化成在爪蟾胚胎中，植物極含有較大卵黃顆粒的細(xì)胞分化成內(nèi)胚層。內(nèi)胚層。 斑馬魚的內(nèi)胚層來源于晚囊胚期胚盤邊緣最外層的斑馬魚的內(nèi)胚層來源于晚囊胚期胚盤邊緣最外層的4層層細(xì)胞，這些細(xì)胞同時(shí)也包含了中胚層前體細(xì)胞，被稱為中細(xì)胞，這些細(xì)胞同時(shí)也包含了中胚層前體細(xì)胞，被稱為中內(nèi)胚層。內(nèi)胚層。 調(diào)控形成內(nèi)胚層的分子機(jī)制在不同動(dòng)物之間是相對(duì)保守調(diào)控形成內(nèi)胚層的分子機(jī)制在不同動(dòng)物之間是相對(duì)保守的，并且內(nèi)胚層和中胚層的分化在很大程度上受同樣的信的，并且內(nèi)胚層和中胚層的分化在很大程度上受同樣的信號(hào)通路調(diào)控。號(hào)通路調(diào)控。 在脊椎動(dòng)物中，這些信號(hào)通路的共同成員包括在脊椎動(dòng)物中，這些信號(hào)通路的共同成員包

12、括Nodal信信號(hào)的分子和另外一些轉(zhuǎn)錄因子，包括號(hào)的分子和另外一些轉(zhuǎn)錄因子，包括Paired和叉頭框和叉頭框（Forkheak)結(jié)構(gòu)域家族蛋白結(jié)構(gòu)域家族蛋白,GATA鋅指轉(zhuǎn)錄激活因子鋅指轉(zhuǎn)錄激活因子sox17基因等?；虻?。 在爪蟾胚胎中在爪蟾胚胎中VegT是起始中內(nèi)胚層命運(yùn)的母源轉(zhuǎn)錄因子，它通過是起始中內(nèi)胚層命運(yùn)的母源轉(zhuǎn)錄因子，它通過Nodal信號(hào)作用于信號(hào)作用于mixer, gata4 , 5 , 6和和sox17等內(nèi)胚層特異基等內(nèi)胚層特異基因的表達(dá)。這些基因都特異性地表達(dá)在植物半球的預(yù)定內(nèi)胚層中，對(duì)因的表達(dá)。這些基因都特異性地表達(dá)在植物半球的預(yù)定內(nèi)胚層中，對(duì)決定內(nèi)胚層細(xì)胞的命運(yùn)起重要作用

13、。決定內(nèi)胚層細(xì)胞的命運(yùn)起重要作用。 在斑馬魚中是母源性的在斑馬魚中是母源性的Nodal輔受體輔受體Oep與母源性的與母源性的Nodal相關(guān)相關(guān)分子分子Squint和和Cyclops共同作用激活了共同作用激活了Mezzo, Mixer ( bon, bone和和Clyde )和和Gata5 ( Faust )。Casanova/Sox32在這在這3個(gè)轉(zhuǎn)錄因子的下游，但也直接接受個(gè)轉(zhuǎn)錄因子的下游，但也直接接受Nodal信號(hào)的調(diào)控。它們誘導(dǎo)包括信號(hào)的調(diào)控。它們誘導(dǎo)包括sox17在內(nèi)的內(nèi)胚層特異基因，進(jìn)而穩(wěn)定內(nèi)胚層的命運(yùn)在內(nèi)的內(nèi)胚層特異基因，進(jìn)而穩(wěn)定內(nèi)胚層的命運(yùn). Mixer(bon, bone和和C

14、lyde）的突變導(dǎo)致胚胎發(fā)育早期表達(dá)內(nèi)胚）的突變導(dǎo)致胚胎發(fā)育早期表達(dá)內(nèi)胚層特異基因的細(xì)胞減少，胚胎發(fā)育后期不能形成具有功能的消化管。層特異基因的細(xì)胞減少，胚胎發(fā)育后期不能形成具有功能的消化管。Gata5（Faust）的突變產(chǎn)生同樣但較弱的表型。）的突變產(chǎn)生同樣但較弱的表型。Casanova/Sox32的突變后果最嚴(yán)重，導(dǎo)致的突變后果最嚴(yán)重，導(dǎo)致soxl7基因的表達(dá)完全基因的表達(dá)完全缺失。缺失。 第三節(jié)第三節(jié) 外胚層命運(yùn)的決定和保護(hù)外胚層命運(yùn)的決定和保護(hù) 在缺失在缺失VegT的胚胎中，細(xì)胞不會(huì)發(fā)育成中胚層和內(nèi)胚的胚胎中，細(xì)胞不會(huì)發(fā)育成中胚層和內(nèi)胚層，而是全都發(fā)育成外胚層。層，而是全都發(fā)育成外胚層

15、。 將囊胚不同區(qū)域的細(xì)胞分離出來后混合到一起，它們會(huì)將囊胚不同區(qū)域的細(xì)胞分離出來后混合到一起，它們會(huì)按預(yù)定的區(qū)域重新有序地組合起來，后來發(fā)現(xiàn)從去除按預(yù)定的區(qū)域重新有序地組合起來，后來發(fā)現(xiàn)從去除VegT的胚胎中分離的細(xì)胞失去了這種重排的能力。的胚胎中分離的細(xì)胞失去了這種重排的能力。 單個(gè)細(xì)胞移植實(shí)驗(yàn)表明在早囊胚期及中囊胚期，動(dòng)物極單個(gè)細(xì)胞移植實(shí)驗(yàn)表明在早囊胚期及中囊胚期，動(dòng)物極細(xì)胞在誘導(dǎo)信號(hào)的影響下具有分化成中胚層的能力，而從細(xì)胞在誘導(dǎo)信號(hào)的影響下具有分化成中胚層的能力，而從晚囊胚期開始，這些細(xì)胞的命運(yùn)被逐漸地限定在外胚層。晚囊胚期開始，這些細(xì)胞的命運(yùn)被逐漸地限定在外胚層。 在體外，用中胚層誘導(dǎo)

16、因子在體外，用中胚層誘導(dǎo)因子Activin誘導(dǎo)不同囊胚期預(yù)誘導(dǎo)不同囊胚期預(yù)定外胚層時(shí)，囊胚早期和中期的外胚層可以被誘導(dǎo)形成中定外胚層時(shí)，囊胚早期和中期的外胚層可以被誘導(dǎo)形成中胚層，但囊胚晚期或原腸早期的預(yù)定外胚層則對(duì)胚層，但囊胚晚期或原腸早期的預(yù)定外胚層則對(duì)Activin沒有反應(yīng)，也說明晚囊胚期動(dòng)物極細(xì)胞分化成為外胚層的沒有反應(yīng)，也說明晚囊胚期動(dòng)物極細(xì)胞分化成為外胚層的命運(yùn)已經(jīng)被限定。命運(yùn)已經(jīng)被限定。 外胚層因子包括外胚層因子包括ectodermin, Coco, Foxl1e/Xema, XFDL156和和Oct25等在細(xì)胞外或細(xì)胞內(nèi)阻止等在細(xì)胞外或細(xì)胞內(nèi)阻止TGFnodal信號(hào)向外胚層擴(kuò)散

17、。部分外信號(hào)向外胚層擴(kuò)散。部分外胚層因子胚層因子(ectodermin, Coco)能抑能抑制外胚層自身的制外胚層自身的BMP信號(hào)，具有信號(hào)，具有神經(jīng)誘導(dǎo)作用。神經(jīng)誘導(dǎo)作用。第四節(jié)第四節(jié) 中胚層在背中胚層在背-腹軸方向的區(qū)域化腹軸方向的區(qū)域化 中胚層在背部和腹部所受到的誘導(dǎo)信號(hào)或信號(hào)強(qiáng)度不同，中胚層在背部和腹部所受到的誘導(dǎo)信號(hào)或信號(hào)強(qiáng)度不同，它們被誘導(dǎo)后在原腸早期所表達(dá)的基因也不同。它們被誘導(dǎo)后在原腸早期所表達(dá)的基因也不同。 腹部中胚層表達(dá)腹部中胚層表達(dá)BMP和和Wnt8，而背部的，而背部的“組織者組織者”剛好表達(dá)一些抑制剛好表達(dá)一些抑制BMP和和Wnt信號(hào)通路的分泌性抑制因信號(hào)通路的分泌性抑

18、制因子，如子，如BMP頡頑分子頡頑分子Follistatin, Noggin和和Chordin; Wnt頡頑分子頡頑分子Dkkl , Frzb, Cerberus等。等。 這種基因表達(dá)方式對(duì)中胚層在背一腹軸方向的區(qū)域化的這種基因表達(dá)方式對(duì)中胚層在背一腹軸方向的區(qū)域化的穩(wěn)定起重要作用。穩(wěn)定起重要作用。 (A)在原腸早期，在原腸早期，“組織者組織者”表達(dá)多種表達(dá)多種轉(zhuǎn)錄因子和生長因子的拮抗分子。轉(zhuǎn)錄因子和生長因子的拮抗分子。腹部中胚層表達(dá)腹部中胚層表達(dá)BMP4等多種具有等多種具有腹部中胚層誘導(dǎo)能力的因子腹部中胚層誘導(dǎo)能力的因子(B)背部表達(dá)的拮抗分子與背部表達(dá)的拮抗分子與腹部因子的相互拮抗作用腹部因子的相互拮抗作用分別使背部和腹部得以保分別使背部和腹部得以保護(hù)和進(jìn)一步分化護(hù)和進(jìn)一步分化組織者分泌多種蛋白能在細(xì)胞外與不同的生長因子結(jié)合組織者分泌多種蛋白能在細(xì)胞外與不同的生長因子結(jié)合并抑制它們的信號(hào)傳遞。并抑制它們的信號(hào)傳遞。在正常的胚胎中，在正常的胚胎中，-catenin集中在胚胎的背部，調(diào)節(jié)背部組織的形成。集中在胚