演示文稿第八章胚軸的特化與體軸的建立當前第1頁\共有133頁\編于星期三\10點第八章胚軸的特化與體軸的建立ppt課件當前第2頁\共有133頁\編于星期三\10點胚胎不但要產生不同類型的細胞，而且要由這些細胞構成功能性的組織和器官并形成有序空間結構的形體模式（bodyplan）。胚胎細胞形成不同組織、器官，構成有序空間結構的過程稱為圖式形成（patternformation）。在動物胚胎發育中，最初的圖式形成主要涉及胚軸（embryonicaxes）形成及其一系列相關的細胞分化過程。胚軸指胚胎的前－后軸（anterior-posterioraxes）和背–

腹軸（dorsal-ventralaxis）。胚軸形成是在一系列基因的多層次、網絡調控下完成的。當前第3頁\共有133頁\編于星期三\10點爪蟾尾芽期胚胎的前后軸、背腹軸和左右軸（中側軸），互成垂直角度。當前第4頁\共有133頁\編于星期三\10點一、果蠅胚軸的形成現已篩選到與胚胎前后軸和背腹軸形成有關的約50個母體效應基因（maternaleffectgene）和120個合子基因（zygoticgene）。通過對這些基因的研究，我們對果蠅胚軸形成的調控機制已有了一個較為清晰的認識。在果蠅最初的發育中，由母體效應基因構建位置信息的基本網絡，激活合子基因的表達，控制果蠅形體模式的建立。當前第5頁\共有133頁\編于星期三\10點果蠅的卵、胚胎、幼蟲和成體都具有明確的前-后軸和背-腹軸。果蠅形體模式的形成是沿前-后軸和背-腹軸進行的。果蠅胚胎和幼蟲沿前-后軸可分為頭節、3個胸節和8個腹節，兩末端又分化出前面的原頭（acron）和尾端的尾節（telson）；沿背腹軸分化為背部外胚層、腹側外胚層、中胚層和羊漿膜。1.果蠅胚胎的極性當前第6頁\共有133頁\編于星期三\10點果蠅沿前后軸、背腹軸和中側軸建立形體模式。當前第7頁\共有133頁\編于星期三\10點果蠅幼蟲與成體分節的比較當前第8頁\共有133頁\編于星期三\10點早在20世紀初，胚胎學家就注意到很多動物定位于受精卵中特定部位的細胞質與胚胎某些特定部位的發育有關。果蠅卵前、后極少量細胞質的流失，會分別造成胚胎缺失頭胸部和腹部結構，其他部位細胞質的少量流失都不會影響形體模式形成。這說明果蠅卵子前后極的細胞質中含有與果蠅圖式形成有關的信息。當前第9頁\共有133頁\編于星期三\10點果蠅早期胚軸形成涉及一個由母體效應基因產物構成的位置信息網絡。在這個網絡中，一定濃度的特異性母源性RNA和蛋白質沿前–

后軸和背–

腹軸的不同區域分布，以激活胚胎基因組的程序。有4組母體效應基因與果蠅胚軸形成有關，其中3組與胚胎前–

后軸的決定有關，另一組基因決定胚胎的背腹軸。當前第10頁\共有133頁\編于星期三\10點決定前后軸的3組母體效應基因包括：前端系統（anteriorsystem）決定頭胸部分節的區域，后端系統（posteriorsystem）決定分節的腹部，末端系統（terminalsystem）決定胚胎兩端不分節的原頭區和尾節。另一組基因即背腹系統（dorsoventralsystem），決定胚胎的背–

腹軸。當前第11頁\共有133頁\編于星期三\10點在卵子發生過程中，這些母體效應基因的mRNA由滋養細胞合成轉運至卵子，定位于卵子的一定區域。這些mRNA編碼轉錄因子或翻譯調控蛋白因子，它們在受精后立即翻譯且分布于整個合胞體胚盤中，激活或抑制一些合子基因的表達，調控果蠅胚軸的形成。這些母體效應基因的蛋白質產物又稱為形態發生素（morphogen）。當前第12頁\共有133頁\編于星期三\10點滋養細胞合成mRNA,rRNA，甚至是完整的核糖體，并通過細胞間橋的胼合體，單向轉運到卵母細胞里。當前第13頁\共有133頁\編于星期三\10點

果蠅前后極性的產生果蠅胚胎、幼蟲、成體的前后極性均來源于卵子的極性。對于調節胚胎前–

后軸的形成有4個非常重要的形態發生素：BICOID(BCD)和HUNCHBACK(HB)調節胚胎前端結構的形成，NANOS(NOS)和CAUDAL(CDL)調節胚胎后端結構的形成。2.果蠅前–

后軸的形成當前第14頁\共有133頁\編于星期三\10點形態發生素調節首先表達的合子基因，即缺口基因（gapgene）的表達。不同濃度缺口基因的蛋白質產物引起成對控制基因（pair-rulegene）的表達，形成與前后軸垂直的7條表達帶。成對控制基因蛋白質產物激活體節極性基因（segmentpolaritygene）的轉錄，進一步將胚胎劃分為14個體節。缺口基因、成對控制基因以及體節極性基因共同調節同源異型基因（homeoticgene）的表達，決定每個體節的發育命運。當前第15頁\共有133頁\編于星期三\10點果蠅形體模式建成過程中沿前后軸不同層次基因內的表達。當前第16頁\共有133頁\編于星期三\10點不同組的基因順序表達沿前后軸建立身體的模式。當前第17頁\共有133頁\編于星期三\10點前端系統至少包括4個主要基因，其中bicoid（bcd）基因對于前端結構的決定起關鍵的作用。BCD具有組織和決定胚胎極性與空間圖式的功能。

bcd是一種母體效應基因，其mRNA由滋養細胞合成，后轉運至卵子并定位于預定胚胎的前極。exuperantia、swallow和staufen基因與bcdmRNA的定位有關。前端組織中心當前第18頁\共有133頁\編于星期三\10點bcdmRNA由滋養細胞合成，后轉移至卵細胞中并定位于卵細胞的前極。當前第19頁\共有133頁\編于星期三\10點BCD具有組織和決定胚胎極性與空間圖式的功能當前第20頁\共有133頁\編于星期三\10點bcdmRNA3’末端非翻譯區中含有與其定位有關的序列。受精后bcdmRNA迅速翻譯，BCD蛋白在前端累積并向后端彌散，形成從前向后穩定的濃度梯度，主要覆蓋胚胎前2/3區域。當前第21頁\共有133頁\編于星期三\10點母源性基因bicoidmRNA在卵子中的分布以及受精后biocoid蛋白的濃度梯度。隨著BCD蛋白在胚胎中的擴散，這種蛋白質也開始降解——它有著大約30分鐘的半衰期。這種降解對于建立起前后濃度梯度是非常重要的。

當前第22頁\共有133頁\編于星期三\10點bcdmRNA在受精后迅速翻譯，形成BCD蛋白從前到后的梯度。突變型的BCD均勻分布，不能形成前后濃度梯度當前第23頁\共有133頁\編于星期三\10點bcd

基因編碼的BCD蛋白是一種轉錄調節因子。另一母體效應基因hunchback（hb）是其靶基因之一,控制胚胎胸部及頭部部分結構的發育。hb在合胞體胚盤階段開始翻譯，表達區域主要位于胚胎前部，HB蛋白從前向后也形成一種濃度梯度。hb基因的表達受BCD蛋白濃度梯度的控制，只有BCD蛋白的濃度達到一定臨界值才能啟動hb基因的表達。當前第24頁\共有133頁\編于星期三\10點母源性bicoid蛋白控制合子型基因hunchback

的表達。

當前第25頁\共有133頁\編于星期三\10點四種形態發生素在果蠅受精卵和胚胎中沿前后軸分布的濃度變化。當前第26頁\共有133頁\編于星期三\10點hunchback又可開啟一些缺口基因如giant、krüppel和knips等基因的表達。缺口基因按一定順序沿前后軸進行表達。當前第27頁\共有133頁\編于星期三\10點krüppel基因的活性受hunchback蛋白的控制。當前第28頁\共有133頁\編于星期三\10點不同靶基因的啟動子與BCD蛋白具有不同的親和力，BCD蛋白的濃度梯度可以同時特異性地啟動不同基因的表達，從而將胚胎劃分為不同的區域。btd、ems和otd基因很可能也是BCD蛋白的靶基因。當前第29頁\共有133頁\編于星期三\10點后端系統包括約10個基因，這些基因的突變都會導致胚胎腹部的缺失。在這一系統中起核心作用的是nanos（nos）基因。后端系統在控制圖式形成中起的作用與前端系統有相似之處，但發揮作用的方式與前端系統不同。后端組織中心當前第30頁\共有133頁\編于星期三\10點后端系統并不像BCD蛋白那樣起指導性的作用，不能直接調節合子基因的表達，而是通過抑制一種轉錄因子的翻譯來進行調節。在果蠅卵子發生過程中，nosmRNA定位于卵子后極。nos基因的編碼產物NANOS（NOS）蛋白活性從后向前彌散形成一種濃度梯度。NOS蛋白的功能是在胚胎后端區域抑制母性hbmRNA的翻譯。當前第31頁\共有133頁\編于星期三\10點NanosmRNA也是由滋養細胞合成，后轉運至卵細胞中，定位于卵細胞的后極。當前第32頁\共有133頁\編于星期三\10點母源性hunchback蛋白濃度梯度的建立

當前第33頁\共有133頁\編于星期三\10點hb基因是在卵子發生過程中轉錄的母體效應基因，hbmRNA在卵子中是均勻分布的。在卵裂階段HB蛋白開始合成。分布在胚胎后部的hbmRNA的翻譯被NOS的濃度梯度所抑制，而在前部BCD蛋白濃度梯度可以激活合子hb基因的表達。結果HB蛋白的分布區域只位于胚胎前半部分。NOS對hb和bcd基因表達的抑制作用是在翻譯水平上進行的。當前第34頁\共有133頁\編于星期三\10點另一個重要的母源性產物caudal（cdl）mRNA最初也是均勻分布于整個卵質內，BCD能抑制cdlmRNA的翻譯。在BCD活性從前到后降低的濃度梯度作用下形成CDL蛋白從后到前降低的濃度梯度。cdl基因的突變導致腹部體節發育不正常。當前第35頁\共有133頁\編于星期三\10點四種形態發生素在果蠅受精卵和胚胎中沿前后軸分布的濃度變化。當前第36頁\共有133頁\編于星期三\10點前端系統和后端系統蛋白因子之間的翻譯調控確立了果蠅的前后軸。當前第37頁\共有133頁\編于星期三\10點末端系統包括約9個母體效應基因。這個系統基因的失活會導致胚胎不分節的部分，即前端原頭區和后端尾節缺失。在這一系統中起關鍵作用的是torso（tor）基因。如果前端和后端系統都失活，果蠅胚胎仍可產生某些前后圖式，形成具有兩個尾節的胚胎。末端系統：TORSO信號途徑當前第38頁\共有133頁\編于星期三\10點Torso系統基因的失活會導致胚胎不分節的部分，即前端原頭區和后端尾節缺失當前第39頁\共有133頁\編于星期三\10點tor基因編碼一種跨膜酪氨酸激酶受體（receptortyrosinekinase，RTK），在整個合胞體胚胎的表面表達。其NH2－基端位于細胞膜外，COOH基端位于細胞膜內。當胚胎前、后端細胞外存在某種信號分子（配體）時可使TOR特異性活化，最終導致胚胎前、后末端細胞命運的特化。torso-like

（tsl）基因可能編碼這一配體。當前第40頁\共有133頁\編于星期三\10點末端系統：Torso信號途徑當前第41頁\共有133頁\編于星期三\10點受體蛋白torso參與胚胎末端的特化。當前第42頁\共有133頁\編于星期三\10點TOR與配體結合后，引起自身磷酸化，經一系列信號傳遞，最終激活合子靶基因的表達。在卵子發生過程中，tsl在卵子前極的邊緣細胞和卵室后端的極性濾泡細胞中表達。TSL蛋白被釋放到卵子兩極處的卵周隙中，由于TOR蛋白過量，TSL不會擴散末端區以外，從而保證tor基因只在末端區被活化。除TSL外，末端系統所需要的其他成分如trk、fssDN和fssDph在胚胎中都是均勻分布的。當前第43頁\共有133頁\編于星期三\10點Torso信號傳導途徑當前第44頁\共有133頁\編于星期三\10點影響果蠅胚胎前后極性的母體效應基因當前第45頁\共有133頁\編于星期三\10點當前第46頁\共有133頁\編于星期三\10點3.果蠅背–

腹軸的形成與果蠅胚軸形成有關的4組母體效應基因中，背–腹系統最為復雜，涉及約20個基因。其中dorsal（dl）等基因的突變會導致胚胎背部化，即產生具有背部結構而沒有腹部結構的胚胎。與此相反，cactus等基因的突變則引起胚胎腹部化，產生只具有腹部結構的胚胎。當前第47頁\共有133頁\編于星期三\10點背–腹系統的作用方式與末端系統有相似之處。通過一種局部分布的信號分子，即定位于卵子腹側卵黃膜上的配體激活分布于腹側卵黃膜上的受體，進而調節合子基因的表達。背-腹系統對合子靶基因表達的調節方式與前端系統相似，通過一種轉錄因子的濃度梯度來完成。當前第48頁\共有133頁\編于星期三\10點但背腹系統濃度梯度形成的方式卻與前端系統完全不同。dl基因是這一信號傳導途徑的最后一個環節，它編碼一種轉錄調節因子。dlmRNA和DL蛋白在卵子中是均勻分布。當胚胎發育到第9次細胞核分裂之后，細胞核遷移到達合胞體胚盤的外周皮質層，在腹側的DL蛋白開始往核內聚集，但背側的DL蛋白仍位于胞質中。從而，使DL蛋白在細胞核內的分布沿背腹軸形成一種濃度梯度。當前第49頁\共有133頁\編于星期三\10點DL蛋白定位于細胞核中的機制cactus基因與DL蛋白能否進入細胞核這一調控過程有關。CACTUS與DL結合時，DL蛋白不能進入細胞核。當前第50頁\共有133頁\編于星期三\10點toll基因在這一系統中具有及其重要的作用。TOLL是一種跨膜受體蛋白，其配體分子也是母源性產物，是sp?tzle基因編碼蛋白的裂解片段。Sp?tzle蛋白由卵室腹側的特異性濾泡細胞產生，在胚胎發育的早期被釋放定位于卵周隙中。Sp?tzle蛋白與DL受體結合并使之活化，進而激發一系列細胞內信號傳導，最終使CACTUS蛋白降解，DL蛋白釋放進而進入細胞核。當前第51頁\共有133頁\編于星期三\10點DL蛋白的濃度梯度通過對下游靶基因的調控，控制沿背-腹軸產生區域特異性的位置信息。這種濃度梯度在腹側組織中可活化合子基因twist

（twi）和snail

（sna）的表達，同時抑制dpp和zen基因的表達，進而指導腹部結構的發育。dpp和zen基因在胚胎背側表達，指導背部結構的發育。當前第52頁\共有133頁\編于星期三\10點Toll蛋白的活化導致沿背腹軸方向細胞核之間dorsal蛋白梯度的形成。當前第53頁\共有133頁\編于星期三\10點果蠅核蛋白dorsal沿背腹軸的梯度將身體分為不同部分的模型。

當前第54頁\共有133頁\編于星期三\10點果蠅卵子發生過程中，母源性的mRNA和蛋白是如何進入卵子的？它們又是如何定位于卵子中特定位置的呢？滋養細胞（nursecell）合成大量的蛋白和mRNA通過胞質橋（cytoplasmicbridge）轉運至卵細胞中。濾泡細胞在決定卵軸極性方面發揮這重要的作用。卵子發生過程中體軸的極化當前第55頁\共有133頁\編于星期三\10點果蠅卵子的發育當前第56頁\共有133頁\編于星期三\10點果蠅卵子與15個滋養細胞相連，被一層濾泡細胞（700個左右）覆蓋。卵細胞和濾泡細胞協同作用確定將來卵子的背腹軸。圖示一個基因僅在卵細胞背前方的濾泡細胞中表達。當前第57頁\共有133頁\編于星期三\10點果蠅的卵細胞進入卵室（eggchamber）的后端，與后端的濾泡細胞建立聯系。但卵細胞與前端的濾泡細胞被滋養細胞隔開。卵細胞中合成gurkenmRNA，而gurken蛋白在局部分泌。Gurken蛋白與后極濾泡細胞上表達的受體torpedo的結合引起相鄰的濾泡細胞特化為后極濾泡細胞。當前第58頁\共有133頁\編于星期三\10點后極濾泡細胞發送信號至卵細胞，重排細胞骨架微管，從而將BCD和oskar蛋白分別定位于卵的前端和后端確定了卵的前后軸。隨后卵細胞的核運動到將來的背側，gurken蛋白的局部釋放使相鄰的濾泡細胞特化為背部的濾泡細胞，卵子將來的背方也得到確定。當前第59頁\共有133頁\編于星期三\10點果蠅卵子發生過程中前后和背腹軸的特化。濾泡細胞的相互作用可引起卵母細胞前后和背腹軸的特化。當前第60頁\共有133頁\編于星期三\10點在卵子發生過程中，濾泡細胞背腹極性的獲得是由卵細胞的信號調控的。這個過程與TOR途徑有相似之處，但是信號傳遞的方式卻相反。這個信號傳遞途徑至少包括7個基因，這些基因的突變會影響卵殼和卵的極性。grk、top或cni的突變產生腹部化的胚胎，而fs(1)k10、sqd、spir或capu的失活則產生背部化的卵和胚胎。當前第61頁\共有133頁\編于星期三\10點分節基因的功能是把早期胚胎沿前–

后軸分為一系列重復的體節原基。分節基因的突變可使胚胎缺失某些體節或體節的某些部分。根據分節基因的突變表型及作用方式可分為三類：缺口基因、成對控制基因和體節極性基因，這三類基因的調控是逐級進行的。4.分節基因與胚胎體節的形成當前第62頁\共有133頁\編于星期三\10點首先由母體效應基因控制缺口基因的活化，其次缺口基因之間互相調節彼此的轉錄且共同調節成對控制基因的表達，然后成對控制基因之間相互作用，把胚體分隔成為一系列重復的體節，并且進一步控制體節極性基因的表達。所以，胚盤末期的每一個體節原基都具有其獨特基因表達的組合，從而決定每個體節的特征。當前第63頁\共有133頁\編于星期三\10點缺口基因（gapgene）的表達區域為一些較寬的區域，每個區域的寬度約相當于3個體節，表達區之間可有部分重疊。當缺口基因突變時胚胎缺失相應的區域。缺口基因直接受母體效應基因的調控。缺口基因最初通常在整個胚胎中都有較弱的表達，然后隨著卵裂的進行逐漸變成一些不連續的區域。缺口基因的表達最初由母體效應基因啟動，其表達圖式的維持可能依賴于缺口基因之間的相互作用。當前第64頁\共有133頁\編于星期三\10點果蠅胚胎的體節與副體節當前第65頁\共有133頁\編于星期三\10點Gap基因Krüppel在果蠅胚胎發育過程中不同時期的表達。當前第66頁\共有133頁\編于星期三\10點成對控制基因（pair-rulegene)的表達區域以兩個體節為單位且具有周期性，在相互間隔的一個副體節中表達。這些基因的功能是把缺口基因確定的區域進一步分成體節。成對控制基因的表達是胚胎出現分節的最早標志，它們在細胞化胚盤期第13次核分裂時表達。表達圖式沿前后軸形成一系列斑馬紋狀的條帶，將胚胎分為預定體節。當前第67頁\共有133頁\編于星期三\10點果蠅胚胎進行細胞化之前成對控制基因even-skipped

（blue）和fushitarazu（brown）的條紋狀表達模式。當前第68頁\共有133頁\編于星期三\10點有三個基因直接受到缺口基因的調控，即hairy、even-skipped（eve）和runt基因，稱為初級成對控制基因。缺口基因可以識別初級成對控制基因的啟動子。關于缺口基因的作用方式還不是很清楚。有些證據表明缺口蛋白對成對控制基因表達起抑制作用，但也有實驗表明缺口基因既可以在一定的帶區活化基因表達，又可同時抑制其他表達帶區的形成。當前第69頁\共有133頁\編于星期三\10點缺口基因的作用方式：既可以在一定的帶區活化基因表達，又可同時抑制其他表達帶區的形成。當前第70頁\共有133頁\編于星期三\10點體節極性基因（segmentpolaritygene）在每一體節的特定區域細胞中表達。engrailed（en）、hedgehog

（hh）和wingless（wg）基因是最重要的體節極性基因。前兩者在每一副體節最前端的一列細胞中表達，而后者在每一副體節的最后一列細胞中表達；這兩個基因的表達界限正好確立了副體節的界線。果蠅晚期胚胎和幼體的每個體節由前一副體節的后區和后一副體節的前區構成。當前第71頁\共有133頁\編于星期三\10點果蠅晚期胚胎（11期）中engrailed基因的表達。

當前第72頁\共有133頁\編于星期三\10點engrailed、wingless和hedgehog的相互作用當前第73頁\共有133頁\編于星期三\10點hedgehog信號途徑。

當前第74頁\共有133頁\編于星期三\10點果蠅早期胚胎、晚期胚胎和成體中副體節和體節的對應關系。

當前第75頁\共有133頁\編于星期三\10點在體節界限確定之后每個體節的結構被進一步特化，此過程由主調節基因（masterregulatorygene）或稱為同源異型選擇者基因調控完成。同源異型選擇者基因的突變或異位表達可引起同源轉化現象（homeotictransformation）。同源異型選擇者基因表達圖式的建立受成對控制基因和缺口基因的調控。果蠅大部分同源異型選擇者基因位于3號染色體相鄰的兩個區域，其一為觸角足復合體Antp-C，另一個為雙胸復合體BX-C，二者統稱同源異型復合體HOM-C。當前第76頁\共有133頁\編于星期三\10點觸角足復合體Antp-C和雙胸復合體BX-C同源異型框選擇者基因當前第77頁\共有133頁\編于星期三\10點HOM-C結構和表達示意圖當前第78頁\共有133頁\編于星期三\10點雙胸復合體BX-C的突變導致翅膀和平衡棒之間的同源轉化現象。當前第79頁\共有133頁\編于星期三\10點HOM-C基因的結構是十分復雜的，有的基因有多個啟動子和多個轉錄起始位點。其另一個重要特征是都含有一段的保守序列，稱為同源異型框（homeobox）。含有同源異型框的基因統稱為同源異型框基因（homeoboxgene）。由同源異型框編碼的同源異型結構域（homeodomain）可形成與DNA特異性結合的螺旋-轉角-螺旋結構（helix-turn-helix）。當前第80頁\共有133頁\編于星期三\10點HOM-C同源異型框形成與DNA特異結合的螺旋-轉角-螺旋結構。當前第81頁\共有133頁\編于星期三\10點果蠅HOM-C的表達使每一個體節被進一步特化，這一機制在無脊椎動物和脊椎動物中都十分保守。當前第82頁\共有133頁\編于星期三\10點目前對果蠅胚胎早期發育機制已基本了解，胚胎的前–

后軸和背–

腹軸分別獨立地由母體效應基因產物決定。這些母體效應基因主要編碼轉錄因子，它們的產物通常形成一種濃度梯度并產生特異的位置信息，以進一步激活一系列合子基因的表達。隨著這些基因的表達，胚胎被分成不同的區域。每個區域表達特異性基因的組合，沿前–

后軸形成間隔性的圖式，即體節的前體形式。最后每一體節通過HOM-C基因的特異性表達而確定其特征。不同物種之間圖式形成的機制有著驚人的相似，果蠅圖式形成機制的研究成果對于其他動物的發育機制研究具有重要的借鑒意義。當前第83頁\共有133頁\編于星期三\10點二、兩棲類胚軸形成兩棲類是調整型胚胎發育的典型模型，也是在胚軸形成機制方面了解較多的脊椎動物。脊椎動物胚軸的形成不僅與定位于囊胚期大量分裂球中的各種決定因子相關，更重要的作用機制則存在于以后的發育階段，發生在鄰近細胞之間的一系列相互作用。當前第84頁\共有133頁\編于星期三\10點兩棲類胚胎的背-腹軸和前-后軸是由受精時卵質的重新分布而決定的。受精時在精子入卵處的對面產生有色素差異的灰色新月區，由此標志預定胚胎的背側，精子進入的一側發育成為胚胎的腹側。在動物極附近的背側形成頭部，而與其相反的一側形成尾，從而形成胚胎的背-腹軸和前-后軸。中側軸或左右軸是隨著脊索的形成而確定的。當前第85頁\共有133頁\編于星期三\10點受精時的皮層轉動形成兩棲類的左右對稱。當前第86頁\共有133頁\編于星期三\10點在原腸作用過程中，由組織者（organizer）誘導背部外胚層形成中樞神經系統的原基—神經管，并作用于側中胚層共同形成背-腹軸和前-后軸。背唇細胞及其衍生物脊索和脊索中胚層雖然還不足以作為整個胚胎的誘導者，在以后器官原基形成和器官形成中都存在誘導作用，但組織者啟動了胚胎發育中的一系列誘導事件。1.組織者和Nieuwkoop中心當前第87頁\共有133頁\編于星期三\10點組織者細胞在早期胚胎發育中的重要功能：組織者能夠啟動原腸作用；組織者細胞有能力發育成背部中胚層包括前脊索板，脊索中胚層等；組織者能夠誘導外胚層背部化形成神經板，并使后者發育為神經管。組織者能夠誘導其周圍的中胚層背部化，分化為側板中胚層，而不是腹側中胚層。當前第88頁\共有133頁\編于星期三\10點爪蟾和其他脊椎動物胚胎前-后軸的形成在背-腹軸形成之后，胚胎的背部一旦建立隨即開始中胚層細胞的內卷運動，并建立前-后軸。最先經過胚孔背唇遷入的中胚層細胞產生前端結構，從側唇和腹唇遷入的中胚層細胞形成后端結構。當前第89頁\共有133頁\編于星期三\10點在兩棲類囊胚中最靠近背側的一群植物半球細胞，對組織者具有特殊的誘導能力，稱為Nieuwkoop中心（Nieuwkoopcenter）。Nieuwkoop中心是兼具動物極和植物極細胞質的特殊區域，含有背部中胚層誘導信號。原腸作用過程中新形成的中胚層是由其下方的植物極半球預定內胚層細胞對動物半球預定外胚層細胞誘導的結果。Nieuwkoop中心當前第90頁\共有133頁\編于星期三\10點爪蟾組織者和Nieuwkoop中心及中胚層誘導模型當前第91頁\共有133頁\編于星期三\10點

Nieuwkoop中心的分子生物學研究爪蟾的內胚層細胞通過誘導預定中胚層細胞表達XenopusBrachyury

（Xbra）基因，進而誘導中胚層的形成。最靠近背側的植物半球細胞，由于表達一些特殊的細胞因子而形成Nieuwkoop中心。β-CATENIN是Nieuwkoop中心的一個主要細胞因子。2.兩棲類胚軸形成的機制當前第92頁\共有133頁\編于星期三\10點組織者的精細結構。組織者特異基因的表達，可以把早期組織者細分成含有不同信息組合的亞區。當前第93頁\共有133頁\編于星期三\10點β-catenin是一種母體效應基因，其編碼的蛋白質β-CATENIN既能錨定細胞膜上的鈣粘著蛋白，又是一個核內轉錄因子。β-CATENIN在受精時卵質的旋轉移動過程中在預定胚胎背部累積，在整個早期卵裂階段仍然主要在胚胎背部累積。到卵裂晚期只有Nieuwkoop中心的細胞具有β-CATENIN。β-CATENIN

對于形成背部結構是必要的。當前第94頁\共有133頁\編于星期三\10點β-CATENIN在背腹軸特化中的作用當前第95頁\共有133頁\編于星期三\10點β-CATENIN屬于Wnt信號傳導途徑的一個分子，糖原合成激酶-3（GSK-3）對β-CATENIN有負調控作用，進而對背側細胞的分化起抑制作用。在腹側細胞中GSK-3介導的磷酸化作用引起β-CATENIN的降解，而在背側細胞中由于存在GSK-3的抑制因子Disheveled（DSH）蛋白，所以背側的β-CATENIN不會被降解。DSH蛋白開始存在于爪蟾未受精卵植物半球的皮層部，受精時沿微管遷移到胚胎的背側起作用。當前第96頁\共有133頁\編于星期三\10點β

–CATENIN是WNT信號途徑中的成分。當前第97頁\共有133頁\編于星期三\10點DSH將β

–CATENIN定位于胚胎背部的機制1當前第98頁\共有133頁\編于星期三\10點DSH將β

–CATENIN定位于胚胎背部的機制2當前第99頁\共有133頁\編于星期三\10點DSH將β

–CATENIN定位于胚胎背部的機制3當前第100頁\共有133頁\編于星期三\10點β-CATENIN與一種普遍存在的轉錄因子TCF3結合形成的復合物能夠激活對胚軸形成具有重要作用的其他基因，如siamois

（sms）基因。SMS能激活goosecoid基因的表達。goosecoid基因是Nieuwkoop中心分泌蛋白因子作用的主要靶基因之一。gcdmRNA表達的區域與組織者的范圍有關。GCD能夠激活腦形成關鍵基因Xotx2，使其在前端中胚層和預定腦外胚層表達。當前第101頁\共有133頁\編于星期三\10點背部中胚層誘導形成組織者的可能機制當前第102頁\共有133頁\編于星期三\10點gcd基因的激活也同時受到定位于植物半球和Nieuwkoop中心的TGF－β家族蛋白產物的協同作用。這里所涉及的TGF－β蛋白因子是Vg1、VegT和Nodal相關蛋白。β-CATENIN與VG1、VEGT信號相互作用的結果形成Nodal-相關蛋白從背側到腹側的濃度梯度。Nodal-相關蛋白的濃度梯度使中胚層細胞分化。含有大量Nodal相關蛋白的分化為組織者，較少的分化為側板中胚層，不含Nodal相關蛋白的分化成腹側中胚層。當前第103頁\共有133頁\編于星期三\10點β-CATENIN與TGF－β家族蛋白協同作用誘導組織者形成的機制當前第104頁\共有133頁\編于星期三\10點總之，為維持正常的發育，在胚胎背部細胞中必須含有β-CATENIN，并使sms基因表達，SMS與TGF-β基因家族的蛋白質協同作用使gcd基因激活，在SMS和GCD等共同作用下才能形成組織者。組織者的形成涉及多種基因的激活，存在于Nieuwkoop中心的分泌蛋白激活位于其上方中胚層細胞中一系列轉錄因子，后者再激活編碼組織者分泌產物的一些基因。當前第105頁\共有133頁\編于星期三\10點BMP4是最重要的上皮分化和腹側化誘導因子。對于神經發生而言，它是抑制因子或抗神經化因子，其功能與組織者正好相反。組織者分泌的NGN、CHD、Nodal相關蛋白－3和FST對BMP4均有抑制作用。因此組織者的功能是分泌抑制誘導作用的可溶性蛋白因子，而不是直接誘導中樞神經系統的發生。第一類組織者分泌性蛋白因子和BMP抑制因子當前第106頁\共有133頁\編于星期三\10點爪蟾卵經紫外線照射后引起背部結構的缺失，可以由注射NGN蛋白而挽救。NGN對背部結構的誘導呈劑量依賴性。當前第107頁\共有133頁\編于星期三\10點NGN在組織者區的定位當前第108頁\共有133頁\編于星期三\10點ChordinmRNA在組織者區的定位當前第109頁\共有133頁\編于星期三\10點組織者區蛋白質因子的相互作用當前第110頁\共有133頁\編于星期三\10點咽鰓區內胚層和頭部中胚層形成的內-中胚層組織構成胚孔背唇的前緣。這些細胞不僅能誘導最前端的頭部結構，而且還能夠阻滯WNT信號傳導途徑。WNT家族的成員之一WNT8與BMP4相似，能夠抑制神經誘導。組織者分泌的CERBERUS（CBR）和內中胚層分泌的FRZB和DICKKOPF（DCK）蛋白因子可以組織WNT信號傳導途徑。第二類組織者分泌性蛋白因子和WNT抑制因子當前第111頁\共有133頁\編于星期三\10點Xwnt8引起中胚層的腹部化并抑制頭部結構的形成當前第112頁\共有133頁\編于星期三\10點Xwnt8在緣區的表達當前第113頁\共有133頁\編于星期三\10點注射CERBERUS（CBR）可誘導出兩個頭部結構當前第114頁\共有133頁\編于星期三\10點FRZB的表達與功能。注射FRZB引起軀干部形成的抑制當前第115頁\共有133頁\編于星期三\10點外胚層分化為上皮和神經組織的不同機制當前第116頁\共有133頁\編于星期三\10點隨著前端神經系統的區域性特化神經管，后端開始進行分化。后端的