1、授课教师：吴中华授课专业：生物科学二零一四年第九章 胚胎诱导 胚胎诱导 (embryonic induction)是发育过程中通过细胞间的相互作用来决定细胞命运和使细胞定向分化的一个最根本的现象，它几乎发生在胚胎发育的任何时期与任何组织和器官的形成过程中。 “诱导 ”这一概念可以简单地定义为两组细胞的相互作用，其中一组细胞影响另一组细胞的命运或分化方向。 1924年德国科学家 Hans Spemann和他的学生Hilde Mangold才用实验证明了 “诱导 ”在发育中的存在。 以蝾螈胚胎为材料，进行了把背唇细胞移植到受体胚胎腹部的研究工作。 将深色素胚胎的背唇 (A)移植到无色素胚胎的腹部
2、(B)，原 肠 作用 过 程中，宿主胚胎的背部和腹部同 时 开始内陷 (C)，最后形成两个胚胎 (D)。从横切面上可以看到被 诱导 的次 级结 构中，移植的背唇主要形成脊索，神 经 底板和小部分肌 节细 胞，而大部分肌 节细 胞和神 经 管由宿主 细 胞 组 成移植的背部细胞具有 “指导 ”或 “组织 ”其他细胞分化的能力，因此 Hans Spemann把这些背部细胞称为 “组织者 ”（ organizer）目前人们把背部边缘区细胞称为“Spemann organizer“或 “Spemann-Mangold organizer”。 人们对 “组织者 “的分子基础和作用机制才开始有了真正的认识
3、。但这也首先得益于人们对包括 “组织者 ”在内的整个中胚层形成或诱导的研究基础，因此这里首先介绍三个胚层的命运决定和诱导的分子机制。 第一节 中胚层诱导图 9.2 Nieuwkoop中胚层诱导实验示意图在囊胚期将动物极的外胚层和植物极的内胚层进行组织重组，培养重组的胚胎组织，结果外胚层分化成为中胚层。组织重组实验揭示了中胚层诱导的现象 中胚层的形成是被诱导而产生的。更重要的是背部内胚层能诱导预定外胚层细胞形成脊索、肌节等背部中胚层组织，而腹部内胚层诱导预定外胚层细胞分化成血细胞、肾等腹部类型的组织。 具有背部中胚层诱导能力的植物极细胞被称为Nieuwkoop中心 ( Nieuwkoop cen
4、ter)。 进一步的研究发现起诱导作用的分子是 TGF (transforming growth factor ）超家族的一个成员Activin,并且不同浓度的 Activin可以诱导产生不同类型的中胚层组织。后来发现 TGF 超家族的其他成员 Nodal相关蛋白也有同样作用。 中胚层诱导机制：爪蟾胚胎中胚层诱导的 “两步骤 ”模型在囊胚中期，高表达在背部的 -catenin与处在植物极的转录因子 VegT和母源 TGF 家族成员 Vgl作用在内胚层细胞中产生 Nodal分子梯度。Nodal分子梯度诱导中胚层的形成：低浓度的 Nodal诱导腹部中胚层而高浓度的 Nodal诱导产生 Speman
5、n“组织者 ”。 Nieuwkoop中心处在背部内胚层并具有诱导 “组织者 ”的能力。在这个模型中， -catenin被认为分布在胚胎的整个背部，包括背部的内、中和外胚层。VegT在启动中胚层诱导和 3个胚层命运决定中起关键性作用。VegT功能的缺失使预定中胚层分化成外胚层，而预定内胚层分化成中胚层和外胚层。FGF（ fibroblast growth factor)和 BMP(bone morpgogenetic protein)家族成员也参与调节中胚层的诱导和分化。但是在体外实验中，高浓度的 FGF只能诱导外胚层分化成肌节，而 BMP4和 BMP7只诱导形成腹部中胚层如血细胞等。在体内，
6、FGF信号通路的缺失使胚胎不能形成躯干和尾部结构。说明 FGF信号通路自身不具有诱导背部中胚层或 “组织者 ”的能力。在爪蟾的胚胎中， Nodal梯度的建立与母源的经典 Wnt信号通路的重要成分 -catenin在背部的集中分布有密切关系。由于 -catenin在背部的积累激活了经典 Wnt信号通路。同时表达经典Wnt信号和 VegT及 Vgl的内胚层细胞代表了 Nieuwkoop中心。这样 Wnt信号通路与 VegT和 Vgl等母源转录因子协同作用诱导 Nodal家族成员在背部的表达量高于侧部和腹部。因此，高浓度的 Nodal蛋白诱导产生背部中胚层或 “组织者 ”，而低浓度的 Nodal蛋白
7、诱导形成侧部或腹部中胚层。 第二节 内胚层命运的诱导在爪蟾胚胎中，植物极含有较大卵黄颗粒的细胞分化成内胚层。 斑马鱼的内胚层来源于晚囊胚期胚盘边缘最外层的 4层细胞，这些细胞同时也包含了中胚层前体细胞，被称为中内胚层。 调控形成内胚层的分子机制在不同动物之间是相对保守的，并且内胚层和中胚层的分化在很大程度上受同样的信号通路调控。 在脊椎动物中，这些信号通路的共同成员包括 Nodal信号的分子和另外一些转录因子，包括 Paired和叉头框（Forkheak)结构域家族蛋白 ,GATA锌指转录激活因子sox17基因等。 在爪蟾胚胎中 VegT是起始中内胚层命运的母源转录因子，它通过Nodal信号作
8、用于 mixer, gata4 , 5 , 6和 sox17等内胚层特异基因的表达。这些基因都特异性地表达在植物半球的预定内胚层中，对决定内胚层细胞的命运起重要作用。 在斑马鱼中是母源性的 Nodal辅受体 Oep与母源性的 Nodal相关分子 Squint和 Cyclops共同作用激活了 Mezzo, Mixer ( bon, bone和 Clyde )和 Gata5 ( Faust )。 Casanova/Sox32在这 3个转录因子的下游，但也直接接受 Nodal信号的调控。它们诱导包括sox17在内的内胚层特异基因，进而稳定内胚层的命运 . Mixer(bon, bone和 Clyde）的突变导致胚胎发育早期表达内胚层特异基因的细胞减少，胚胎发育后期不能形成具有功能的消化管。Gata5（ Faust）的突变产生同样但较弱的表型。Casanova/Sox32的突变后果最严重，导致 soxl7基因的表达完全缺失。
