發(fā)育生物學(xué)第九章 胚胎細(xì)胞的相互作用-誘導(dǎo)作用課件

第十章胚胎細(xì)胞相互作用

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胚胎誘導(dǎo)胚胎誘導(dǎo)（embryonicinduction)：誘導(dǎo)者和反應(yīng)者：在動物胚胎發(fā)育過程中存在大量的和連續(xù)的誘導(dǎo)作用HansSpemann及晶狀體移植實驗

第一節(jié)初級胚胎誘導(dǎo)一、組織者的發(fā)現(xiàn)（1921-1924）組織者：能夠誘導(dǎo)外胚層形成神經(jīng)系統(tǒng)，并能和其他組織一起調(diào)整成為中軸器官的胚孔背唇部分。二、初級胚胎誘導(dǎo)各階段細(xì)胞間相互作用初級胚胎誘導(dǎo)=神經(jīng)誘導(dǎo)（neuralinduction）初級胚胎誘導(dǎo)的三個階段（爪蟾為例）（一）中胚層的形成和分區(qū)(卵裂期)（二）神經(jīng)誘導(dǎo)--脊索誘導(dǎo)背部外胚層形成神經(jīng)外胚層并進(jìn)一步分化（三）中樞神經(jīng)系統(tǒng)的區(qū)域化實驗：單獨培養(yǎng)；組合培養(yǎng)組合培養(yǎng)結(jié)果：

預(yù)定外胚層細(xì)胞在植物極內(nèi)胚層細(xì)胞釋放因子的誘導(dǎo)下分化為中胚層中胚層誘導(dǎo)模式：----最背部的植物極細(xì)胞（Nieuwkoop中心）誘導(dǎo)背部的中胚層（體節(jié)、脊索和組織者）----腹部和側(cè)部的植物極細(xì)胞（靠近精子入卵一側(cè)）誘導(dǎo)腹部（間充質(zhì)和血液）和中間（肌肉和腎臟）的中胚層形成中胚層由其下方的植物極內(nèi)胚層細(xì)胞誘導(dǎo)形成（一）中胚層的形成和分區(qū)Figure10.21.SummaryofexperimentsbyNieuwkoopandbyNakamuraandTakasaki(1970),showingmesodermalinductionbyvegetalendoderm.(A)Isolatedanimalcapcellsbecomeamassofciliatedepidermis,isolatedvegetalcellsgenerategutliketissue,andisolatedequatorial(marginalzone)cellsbecomemesoderm.(B)Ifanimalcapcellsarecombinedwithvegetalcapcells,manyoftheanimalcellsgeneratemesodermaltissue.(C)ModelformesoderminductioninXenopus.Aventralsignal(probablyFGF2orBMP4)isreleasedthroughoutthevegetalregionoftheembryo.Thisinducesthemarginalcellstobecomemesoderm.Onthedorsalside(awayfromthepointofspermentry),asignalisreleasedbythevegetalcellsoftheNieuwkoopcenter.ThisdorsalsignalinducestheformationoftheSpemannorganizerintheoverlyingmarginalzonecells.Thepossibleidentityofthissignalwillbediscussedlaterinthischapter.(CafterDeRobertisetal.1992.)

Nieuwkoop中心：囊胚最背部的植物極細(xì)胞，含有背部化決定子，可誘導(dǎo)組織者產(chǎn)生。Figure10.22.Theregionalspecificityofmesoderminductioncanbedemonstratedbyrecombiningcellsof32-cellXenopusembryos.Animalpolecellswerelabeledwithfluorescentpolymerssothattheirdescendantscouldbeidentified,thencombinedwithindividualvegetalblastomeres.Theinductionsresultingfromtheserecombinationsaresummarizedattheright.D1,thedorsalmostvegetalblastomere,wasthemostlikelytoinducetheanimalpolecellstoformdorsalmesoderm.(AfterDaleandSlack1987.)

Figure10.23.TheroleofWntpathwayproteinsindorsal-ventralaxisspecification.(A-D)Differentialtranslocationofβ-cateninintoXenopusblastomerenuclei.(A)Early2-cellstageofXenopus,showingβ-catenin(orange)predominantlyatthedorsalsurface.(B)PresumptivedorsalsideofaXenopusblastulastainedforβ-cateninshowsnuclearlocalization.(C)Suchnuclearlocalizationisnotseenontheventralsideofthesameembryo.(D)β-catenindorsallocalizationpersiststhroughthegastrulastage.(E)Dorsalaxisformationcausedbytheinjectionofbothblastomeresofa2-cellXenopusembryowithdominantinactiveGSK-3.Dorsalfateisactivelysuppressedbywild-typeGSK-3.(F)IrenicmodelwherebytheNieuwkoopcenter(characterizedbysiamoisgeneexpressionandtheabilitytoinducedorsalmesoderm)iscreatedbythesynergyoftheactivationofβ-catenindorsallyandtheactivationoftheTGF-βsignalvegetally.爪蟾背腹軸特化中Wnt途徑蛋白的作用A-D:β-catenin在卵裂球細(xì)胞核中的不同定位。A：2細(xì)胞期β-catenin（orange）主要在背部表面。B：囊胚預(yù)定的背面β-catenin染色顯示核定位。C：核定位不在同一個胚胎的腹面。D：β-catenin的背部定位持續(xù)到原腸期。E：2細(xì)胞期的每個分裂球都注射無活性的GSK-3引起背軸形成。F：NieuwkoopCenter通過背部β-catenin的激活和腹部TGF-β的激活的協(xié)調(diào)作用產(chǎn)生的模型。

CorticalrotationcausesthetranslocationofDisheveledproteintothedorsalsideoftheembryo.DshbindsGSK-3,therebyallowingβ-catenintoaccumulateinthefuturedorsalportionoftheembryo.Duringcleavage,β-cateninentersthenucleiandbindswithTcf3toformatranscriptionfactorthatactivatesgenesencodingproteinssuchasSiamois.SiamoisandLim-1,atranscriptionfactoractivatedbytheTGF-βpathway,functiontogethertoactivatethegoosecoidgeneintheorganizer.

Goosecoidisatranscriptionfactorthatcanactivategeneswhoseproteinsareresponsiblefortheorganizer‘sactivities.組織者的形成Lim-1Figure10.25.Summaryofeventshypothesizedtobringabouttheinductionoftheorganizerinthedorsalmesoderm.

NieuwkoopCenter的marker外胚層受其下方密切接觸的原腸頂?shù)恼T導(dǎo)形成神經(jīng)板，繼而形成神經(jīng)管的過程稱為神經(jīng)誘導(dǎo)（即Spemman所稱的“初級誘導(dǎo)”）。（二）神經(jīng)誘導(dǎo)神經(jīng)誘導(dǎo)的非特異性大量的物質(zhì)，如松節(jié)油、美藍(lán)染料、甲醛、死的原腸和一些成體組織都能誘導(dǎo)出神經(jīng)板。2.神經(jīng)誘導(dǎo)的機(jī)制

第一套信號--使背部外胚層傾向于變?yōu)樯窠?jīng)板：8細(xì)胞期的爪蟾神經(jīng)外胚層缺少Epi-1,為腹部的動物極細(xì)胞所特有。第二套信號—來自側(cè)唇及脊索中胚層：Figure10.35.Xwnt8iscapableofventralizingthemesodermandpreventinganteriorheadformationintheectoderm.(A)Frzbisaproteinsecretedbytheanteriorregionoftheorganizer.ItbindstoXwnt8beforethatinducercanbindtoitsreceptor.FrzbresemblestheWnt-bindingdomainoftheWntreceptor(Frizzledprotein),butisasolublemolecule.(B)Xwnt8ismadethroughoutthemarginalzone.Figure10.36.Frzbexpressionandfunction.(A)Doubleinsituhybridizationlocalizingfrzb(darkblue)andchordin(brown)messages.

frzb

mRNAcanbeseentobetranscribedintheheadendomesodermoftheorganizer,butnotinthenotochord(wherechordinisexpressed).(B)MicroinjectionoffrzbmRNAintothemarginalzoneleadstotheinhibitionoftrunkformation.(FromLeynsetal.1997;photographscourtesyofE.M.DeRobertis.)Figure10.37.Hypotheticalpathwaysdifferentiatingectodermintoepidermisorneuralectoderm.InthepresenceofBMPsignaling,epidermalizingtranscriptionfactorsaregenerated,leadingtotheactivationofthepathwayenablingthecelltobecomeanepidermalkeratinocyte.IntheabsenceofBMPsignaling,neuralizingtranscriptionfactorsareproduced.Thesefactorsactivatethegeneforneurogenin.NeurogeninactsasatranscriptionfactortoactivatetheNeuroDgene,andNeuroDactsasatranscriptionfactortocausethedifferentiationofthecellintoaneuron.

（三）誘導(dǎo)的區(qū)域特異性（不同的發(fā)育時期和部位，產(chǎn)生的誘導(dǎo)不同）實驗1：早期原腸胚的背唇誘導(dǎo)腦和頭的形成，晚期的背唇誘導(dǎo)其上面細(xì)胞成為脊髓和尾實驗2：Mangold,原腸頂壁切成四段，分別移植到早期原腸胚的囊胚腔內(nèi)具有平衡器的頭具有平衡器、眼和前腦的頭具有后腦和聽囊的頭后端部分具有軀干-尾部分節(jié)Figure10.39.Regionalspecificityofinduction第二節(jié)反應(yīng)組織定義：組織對一種特定刺激以一種特異方式產(chǎn)生反應(yīng)的能力它本身是一種分化的表型，從空間和時間上區(qū)別細(xì)胞現(xiàn)象：背唇移植入另一原腸胚的任何部位均可誘導(dǎo)外胚層形成神經(jīng)板和胚軸背唇移植入另一神經(jīng)胚預(yù)定表皮下時，將不再有神經(jīng)胚的形成結(jié)論：感受性總是和特殊的刺激及相應(yīng)的反應(yīng)有關(guān)反應(yīng)者必須具有感受性才能對誘導(dǎo)者或組織者的刺激產(chǎn)生反應(yīng)一、感受性competence（反應(yīng)能力）感受性的分級、分類初級感受性（primarycompetence）：指尚未決定的外胚層所具有的感受性次級感受性（secondarycompetence）：指已決定了的組織對刺激的感受性對不同誘導(dǎo)刺激：神經(jīng)感受性（neuralcompetence）：對神經(jīng)化的反應(yīng)能力中胚層感受性（mesodermalcompetence）：對中胚層化的反應(yīng)能力感受性的時間模式

神經(jīng)感受性的喪失都是在神經(jīng)胚開始以前，即在晚期原腸胚時期胚孔關(guān)閉時消失；因此認(rèn)為隨著發(fā)育的進(jìn)展，神經(jīng)感受性逐漸減弱。感受性的區(qū)域模式

早期原腸胚的預(yù)定外胚層在初級感受性上不表現(xiàn)區(qū)域特異性，但隨著發(fā)育，不同區(qū)域的表皮外胚層表現(xiàn)出不同感受性（晶狀體、平衡器和聽囊等）感受性的種間差異不同種外胚層的感受性存在差異，無尾和有尾類對殺死的誘導(dǎo)者的感受性不同，前者無感受性遺傳因子（右圖）Figure6.8Geneticspecificityofinduction.Reciprocaltransplantationbetweenthepresumptiveoralectodermregionsofsalamanderandfroggastrulaeleadstonewtswithtadpolesuckersandtadpoleswithnewtbalancers.（二）感受性的特性1、自動神經(jīng)化定義：在沒有誘導(dǎo)組織或不具誘導(dǎo)活性的化學(xué)物質(zhì)存在的情況下，外胚層外植塊出現(xiàn)神經(jīng)化的現(xiàn)象機(jī)制：可能是從受損傷細(xì)胞釋放活性因子對存活細(xì)胞產(chǎn)生誘導(dǎo)作用的結(jié)果2、自動中胚層化實驗：鋰處理外胚層→中胚層結(jié)構(gòu)（肌肉、前腎、血細(xì)胞等）機(jī)制：可能外胚層中存在一種弱的中胚層化傾向，正常下神經(jīng)化抑制了中胚層化，Li抑制了神經(jīng)化，中胚層化便表現(xiàn)出來

二自動神經(jīng)化和自動中胚層化2、影響異源誘導(dǎo)者作用的因素年齡：同一組織在不同發(fā)育時期的誘導(dǎo)能力不同。雞視網(wǎng)膜（胚胎期、剛孵化時期）饑餓：饑餓3天的豚鼠肝組織，對前腦異源誘導(dǎo)者的作用加強(qiáng)；對中、后腦和軀干部降低其他因子：組織惡化、射線等第四節(jié)次級誘導(dǎo)和三級誘導(dǎo)次級誘導(dǎo)：通過一種組織與另一種組織的相互作用，特異地指定它的命運三級誘導(dǎo)：次級誘導(dǎo)的產(chǎn)物又可作為誘導(dǎo)者，通過與相鄰組織的相互作用進(jìn)行誘導(dǎo)初級誘導(dǎo)：神經(jīng)誘導(dǎo)但尚不能構(gòu)筑整個胚胎，同時神經(jīng)管、背部中胚層和咽內(nèi)胚層及其他組織為大量的誘導(dǎo)事件創(chuàng)造了條件。Figure6.1EctodermalcompetenceandtheabilitytorespondtotheopticvesicleinducerinXenopus.(1)Theopticvesicleisabletoinducelensesintheanteriorportionoftheectoderm,butnotinthepresumptivetrunkandabdomen(2).Iftheopticvesicleisremoved(3),thesurfaceectodermformseitheranabnormallensornolensatall.(4)Mostothertissuesarenotabletosubstitutefortheopticvesicle.Figure6.2InductionofopticandnasalstructuresbyPax6intheratembryo.(A,B)Histologyofwild-type(A)andhomozygousPax6mutant(B)embryosatday12ofgestationshowsinductionoflensesandretinaldevelopmentinthewild-typeembryo,butneitherlensnorretinainthemutant.Similarly,neitherthenasalpitnorthemedialnasalprominenceisinducedinthemutantrats.(C)Newbornwild-typeratsshowprominentnoseaswellas(closed)eyes.(D)NewbornPax6mutantratsshowneithereyesnornose.(FromFujiwaraetal.1994;photographscourtesyofM.Fujiwara.)大鼠胚胎Pax6誘導(dǎo)眼和鼻結(jié)構(gòu)野生型Pax6純合突變Figure6.6(A)Feathertractsonthedorsumofaday9chickembryo.Notethateachfeatherprimordium（原基）islocatedbetweentheprimordiaofadjacentrows.(B)Insituhybridizationofaday10chickembryoshowsSonichedgehogexpression(darkspots)intheectodermofthedevelopingfeathersandscales.(AcourtesyofP.Sengal;BcourtesyofW.-S.KimandJ.F.Fallon.)第五節(jié)鄰近組織的相互作用

（proximatetissueinteraction）據(jù)性質(zhì)劃分容許的相互作用（permissiveinteraction）：反應(yīng)組織含有所有要表達(dá)的潛能，只需要環(huán)境，但環(huán)境不能改變它的發(fā)育方向。許多組織需要含纖連蛋白（fibronectin）和層粘連蛋白（laminin）基質(zhì)指令的相互作用（instructiveinteraction）：反應(yīng)組織的發(fā)育潛能不穩(wěn)定，其發(fā)育方向和過程取決于接受的誘導(dǎo)刺激類型。例如脊索誘導(dǎo)神經(jīng)管底板細(xì)胞的形成。上皮細(xì)胞(epithelialcells)：細(xì)胞與細(xì)胞間緊密連接成管狀或片層狀結(jié)構(gòu)，局部或整個結(jié)構(gòu)一起運動。間質(zhì)細(xì)胞(mesenchymalcells):細(xì)胞與細(xì)胞間松散相連，每個細(xì)胞為一個行動單元。一上皮和間質(zhì)的相互作用---器官原基形成時的相互作用

器官上皮成分間質(zhì)成分皮膚的結(jié)構(gòu)（毛發(fā)、羽、汗腺、乳腺）表皮（外胚層）真皮（中胚層）附肢表皮（外胚層）間質(zhì)（中胚層）消化管器官（肝、胰、唾液腺）上皮（內(nèi)胚層）間質(zhì)（中胚層）咽部及呼吸相關(guān)的器官（肺、胸腺、甲狀腺）上皮（內(nèi)胚層）間質(zhì)（中胚層）腎輸尿管芽上皮（中胚層）間質(zhì)（中胚層）牙齒頜上皮（外胚層）間質(zhì)（神經(jīng)嵴）皮膚的胚層組成及衍生物：組成---外胚層的表皮和中胚層的真皮；衍生物---毛發(fā)、指甲、羽毛、鱗片等。不同種類的皮膚不同；同一動物不同部位的皮膚也不同。（一）間質(zhì)指令表皮的分化（皮膚形成的誘導(dǎo)作用）雞：實驗1

將雞胚不同部位的表皮和不同部位的間質(zhì)分離后，再按不同方式組合結(jié)論：同一類型的外胚層根據(jù)中胚層所取的區(qū)域發(fā)育。即間質(zhì)對表皮的分化具指令性作用；外胚層具有分化成羽毛、鱗片或其他皮膚衍生物的潛能Figure6.7Regionalspecificityofinduction.Whencellsfromdifferentregionsofthedermis(mesenchyme)arerecombinedwiththeepidermis(epithelium)inthechick,thetypeofcutaneousstructuremadebytheepidermalepitheliumisdeterminedbytheoriginalsourceofthemesenchyme.(AfterSaunders1980.)實驗2：現(xiàn)象1：將雞胚預(yù)定形成角膜的外胚層分離出來，與雞胚皮膚的中胚層結(jié)合，外胚層分化出雞皮膚典型的羽毛芽基?，F(xiàn)象2：將上述角膜與小鼠皮膚的中胚層結(jié)合，羽毛的芽基也出現(xiàn)。結(jié)論：間質(zhì)發(fā)出的指令能穿越種的屏障，但上皮的反應(yīng)是該種特異的。

器官類型的特異性（羽毛和鱗片）通常是由該種的間質(zhì)控制的，而種的特異性通常又是被反應(yīng)的上皮控制的。實驗3：現(xiàn)象：將5d雞胚頜區(qū)的表皮與16-18d的小鼠胚胎臼齒的間質(zhì)組合，待兩組織細(xì)胞粘連在一起后，將其放入小鼠眼房中培養(yǎng)，結(jié)果產(chǎn)生了不同于哺乳類的牙齒結(jié)論：表皮的分化依賴于異源的間質(zhì)雞的咽弓細(xì)胞不形成牙齒已近約10億年了，它們?nèi)匀槐３至诉@種遺傳的潛能，在合適的誘導(dǎo)者的作用下起反應(yīng)形成齒。間質(zhì)指令上皮的區(qū)域性分化在消化道、呼吸系統(tǒng)發(fā)育期間是非常重要的。內(nèi)胚層卷折形成的消化管由于不同部位的間質(zhì)細(xì)胞不同，導(dǎo)致其有了食道、胃、腸等不同區(qū)段分化上的不同預(yù)定肺上皮由于遇到不同的間質(zhì)而導(dǎo)致分化上的不同（二）間質(zhì)指令上皮的分化二、間質(zhì)和腺上皮的相互作用（一）、唾液腺（salivarygland）：包括腮腺、下頜下腺、舌下腺下頜下腺位置：舌兩側(cè)原基：一對杯狀上皮芽；形成過程：上皮芽沿舌兩側(cè)向下生長進(jìn)入結(jié)締組織層，芽體不久被聚集而來的間質(zhì)細(xì)胞所包圍，形成結(jié)締組織鞘腺原基的上皮部分開始分支，在每個分支的末端形成結(jié)節(jié)狀增厚，生成葉葉重復(fù)分支→分泌小球→管道系統(tǒng)體外實驗腺上皮與間質(zhì)分別培養(yǎng)，均能分裂，但不進(jìn)行正常的形態(tài)發(fā)生。將兩種組織靠近培養(yǎng)，可形成分泌腺泡。唾液腺間質(zhì)+小鼠唾液腺上皮+肺間質(zhì)（一側(cè)，一側(cè)）

進(jìn)行唾液腺狀的分支不分支結(jié)論1：只有同源間質(zhì)才能使唾液腺上皮芽按唾液腺特有的類型進(jìn)行分支小鼠唾液腺間質(zhì)+小鼠乳腺上皮→乳腺上皮按唾液腺的結(jié)節(jié)狀分支。結(jié)論2：唾液腺間質(zhì)對于唾液腺的形態(tài)發(fā)生具關(guān)鍵和獨特的促進(jìn)作用，屬指令性相互作用。實驗：小鼠下頜下腺上皮+肺間質(zhì)（大量）→上皮分支→腺泡結(jié)論：1）唾液腺間質(zhì)能特異地引起上皮分支2）唾液腺上皮必須接受足夠量間質(zhì)的刺激才能表達(dá)其分支的能力

（二）、腎羊膜動物：輸尿管芽和后腎間質(zhì)相互作用形成后腎實驗：單獨培養(yǎng)，輸尿管芽在缺少間質(zhì)時不分支；生后腎間質(zhì)在缺少輸尿管芽時不濃縮形成腎管一起培養(yǎng)，正常分化結(jié)論：輸尿管芽的分支只有在生后腎間質(zhì)的指令性相互作用下才能進(jìn)行。說明其早已決定，但要表現(xiàn)其決定，必須有其他組織的相互作用輸尿管芽生后腎間質(zhì)集合管三、間質(zhì)和上皮相互作用的機(jī)制（一）貼近的誘導(dǎo)作用1、細(xì)胞與細(xì)胞的接觸輸尿管誘導(dǎo)腎小管依賴于它們細(xì)胞的緊密接觸。另有牙齒和下頜下腺。微孔濾膜實驗：輸尿管間質(zhì)→腎小管微孔濾膜誘導(dǎo)者的小突起穿過濾膜與間質(zhì)接觸2、細(xì)胞與基質(zhì)的接觸角膜上皮細(xì)胞的分化（受晶狀體囊的細(xì)胞外基質(zhì)誘導(dǎo)）實驗：即使晶狀體囊細(xì)胞死亡，只要膠原存在，膠原仍可誘導(dǎo)角膜合成基質(zhì)。表明：角膜上皮細(xì)胞的表面從富含膠原的晶狀體囊接受了一些指令3、可溶性信號的擴(kuò)散脊索中胚層誘導(dǎo)其上方的外胚層形成神經(jīng)管（加入濾膜未見接觸，誘導(dǎo)照常發(fā)生）實驗：胰間質(zhì)中的一種糖蛋白，可誘導(dǎo)胰上皮的分化。有間質(zhì)因子結(jié)合的樹脂未包含間質(zhì)因子的樹脂↓↓上皮細(xì)胞合成DNA，不產(chǎn)生分泌顆粒并產(chǎn)生具有已分化胰上皮細(xì)胞特點的分泌顆粒胰上皮碎片（二）分支形成的機(jī)制間質(zhì)可能通過引起上皮管狀分支與它相互作用現(xiàn)有人認(rèn)為：間質(zhì)通過劈開小葉和有選擇的消化掉部分上皮組織的基板引起裂隙和分支的形成機(jī)制：可能由膠原控制。間質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生的型膠原纖維只聚集在小葉的裂隙中；間質(zhì)細(xì)胞通過它們的牽引與膠原纖維連接形成切入小葉上皮的嵴，從而形成裂隙間質(zhì)的膠原控制上皮裂隙的形成Ⅲ第六節(jié)單細(xì)胞水平的誘導(dǎo)作用胚胎誘導(dǎo)：誘導(dǎo)細(xì)胞和反應(yīng)細(xì)胞間相互作用引起反應(yīng)細(xì)胞發(fā)育途徑變化。沒有誘導(dǎo)作用，反應(yīng)細(xì)胞將發(fā)育為一種細(xì)胞；在誘導(dǎo)作用下它們將變?yōu)榱硪环N。通常的研究只涉及組織，現(xiàn)代發(fā)育遺傳學(xué)的研究證明誘導(dǎo)作用實際發(fā)生于細(xì)胞細(xì)胞的水平。一、果蠅視網(wǎng)膜的sevenless和brideofsevenless（boss）基因1、小眼細(xì)胞出現(xiàn)的次序和命運果蠅復(fù)眼（800小眼），20cells/小眼（8個感光細(xì)胞，R1-8；其他細(xì)胞圍繞在感光細(xì)胞周圍形成晶狀體細(xì)胞）Figure6.17.DifferentiationofphotoreceptorsintheDrosophilacompoundeye.Themorphogeneticfurrow(arrow)crossesthediscfromposterior(left)toanterior(right).(A)Confocalmicrographofatriple-labeledlatelarvaleye/antennalimaginaldisc,showinghairyexpressioningreenahead