发育7-2：脊椎动物形体模式形成.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流第二节第三节第四节 发育7-2：脊椎动物形体模式形成.精品文档.第五节 脊椎动物形体模式的形成及基因控制两栖类是在胚胎体轴形成方面了解最多的脊椎动物。脊椎动物胚轴的形成不仅与定位于囊胚期分裂球中的各种决定因子相关，更重要的是与其后发育阶段中细胞的一系列相互作用相关。一、胚胎诱导的概念脊椎动物胚胎形体模式是通过相邻细胞间一系列的相互作用渐进式决定的，而不是象果蝇中那样是完全通过形态发生决定子的细胞质定域决定的。胚胎细胞中这种细胞间的相互作用称为胚胎诱导（embryonic induction）。胚胎诱导现象是比利时人伟大的实验胚胎学家Spema

2、nn发现的。如前所述，受精卵中的灰色新月区域在在胚胎发育中具有重要的作用，缺少这一部分就不能进行原肠作用（figure 10. 19）；如人工损伤这一部分，则将产生畸形胚胎。灰色新月区是产生胚孔背唇的地方。Spemann与他的学生Mongold为了进一步研究这一区域以及所产生的胚孔背唇的作用，将蝾螈一个胚胎的胚孔背唇移植到另一个蝾螈早期原肠胚的囊胚腔中（figure 10. 21），结果在这个受体胚胎的腹面诱导产生了第二个对称排列的胚胎。这一实验证明了背唇（脊索中胚层）具有使外胚层发育成神经系统的能力。他们也证明了如果在外胚层下面没有脊索中胚层，则此外胚层就不能发育为神经组织。Spemann和

3、Mongold在1924年发表了他们的研究结果。这一研究结果在1935年获得了Nobel Prize。并从20世纪30年代到现在，都是发育生物学和胚胎学最关注的重大科学问题之一。近年来一些与胚胎诱导相关的分子的发现也是现代科学中最激动人心的事件。胚胎诱导现象最先发现与蝾螈的胚胎发育中。以后的实验又不断地证实在无尾两栖类、鸟类、鱼类文昌鱼以及无脊椎动物等的胚胎发生过程中均有这种诱导的现象。说明胚胎诱导作用是动物胚胎发育过程中一个普遍的现象。在胚胎发育中，一部分细胞对其邻近细胞的形态发生产生影响，并决定其分化方向的作用称为诱导作用或胚胎诱导（induction or embryonic induc

4、tion）。胚胎诱导是一种依赖性分化（dependent differentiation），即一种器官或组织的分化依赖于其原基与另一种器官或组织的的原基的联合。胚胎诱导应该理解为胚胎进行和维持细胞分化及形态发生所需要的细胞间的通信；即一部分细胞将信号发送到邻近区域，而另一部分细胞做出应答反应。Spemann 和Mongold的发现激发了一场鉴别这种诱导因子或信号的旷持日久的竞赛。但这种诱导因子是异常难以捉摸的。直到1987年，随着技术手段的完善才第一次分离到了其中的一些因子。在胚胎诱导中，产生影响的那部分细胞或组织称为诱导者，接受影响而进行分化的那部分细胞或组织称为反应细胞或反映组织。而反映组

5、织必须具有感应能力才能接受诱导者的刺激。二、初级胚胎诱导（primary embryonic induction）与形体模式的形成初级胚胎诱导是指脊索中胚层诱导其表面覆盖的外胚层发育为神经板的现象。在原肠形成时，胚孔背唇由内陷作用通过胚孔转移到背中线处，组成脊索中胚层，迁移到位于原肠胚顶部时叫原肠顶，位于顶部的外胚层会发育成神经板。（一）组织者的发现及在初级胚胎诱导中的作用Spemann和Mongold为了研究两栖类早期原肠胚各个部分决定的确切时间，将一种浅色蝾螈原肠胚的胚孔背唇移植到深色蝾螈同龄胚胎腹侧（figure 10. 21）。他们惊奇地发现，在宿主原有的神经板相对的腹侧面形成了另一个

6、神经板。他们称之为次级神经板。次级神经板能继续发育为次级胚胎。切片分析发现次级神经板主要由宿主的深色细胞组成，而中胚层的轴器官，如脊索和体节的一部分由移植的浅色蝾螈的细胞组成，一部分由宿主的细胞组成。这些结果表明，胚孔的背唇具有一种特殊的能力，它不仅能够诱导出神经板，而且还能组织整个胚胎，使宿主的细胞也参与到次级胚胎的形成中。因此，Spemann将胚孔背唇称为组织中心或组织者。所以，组织者的定义是：能够诱导外胚层形成神经组织，并能够和其他组织一起调整为中轴器官的胚孔背唇部分。在Spemann和Mongold开始这项研究时，尚无预定命运的概念。到1925年Vogt首次通过活体染色，发表了有尾两栖

7、类早期原肠胚表面区域和预定器官分布图，才开始明确胚孔背唇是预定脊索中胚层区。进一步的研究证明，不同时期胚孔原肠胚的胚孔背唇的诱导性质是不一样的。Spemann等研究证明，早期原肠胚胚孔背唇是是预定原肠顶的前部，即索前板，具有诱导头部结构的倾向，称为头部组织者，而晚期原肠胚胚孔背唇是预定原肠顶的后部，诱导躯干和尾部结构的形成，称为躯干组织者和躯尾组织者（figure 10. 41）。组织者中的细胞在早期胚胎发育过程中具有重要的功能，这些功能包括：启动原肠作用；发育成背部中胚层部分，包括索前板和脊索中胚层等；诱导覆盖其上的外胚层发育成神经板，进而形成神经管和中枢神经系统；诱导其周围区域的中胚层细胞

8、背部化（dorsalize），分化成轴旁中胚层。（二）初级诱导的过程及体轴决定的机制初级胚胎诱导导致的胚胎模式形成过程包括四个阶段。1、Nieuwkoop中心的形成：初级胚胎诱导作用的第一阶段发生在受精时。未受精卵是围绕卵轴辐射对称的。受精时精子入卵，因重力作用导致皮层下卵子内层细胞质（inner cytoplasm）旋转，打破了卵子的辐射对称，由此形成两侧对称。精子入卵点的对面产生一个兼具动物极和植物极细胞质的特殊区域。这个区域喊有背部中胚层诱导信号。在卵裂形成多个卵裂球以后。这一区域的卵裂球由于动物极、植物极细胞质的混合而导致卵裂球内的背部化决定子被激活。这些含有已激活的背部化决定子的植物

9、极区域即为Nieuwkoop中心。其中最重要的一个决定因子是-CATENIN，由母体效应基因-catenin编码而贮存在这一区域中。它是一种转录因子，可启动背部化基因的表达。-catenin是一种多功能蛋白质，既可以作为细胞膜上cadherin分子的锚定蛋白，也可以作为细胞核内的转录因子起作用。在非洲爪蟾中，-catenin在细胞质转动的过程中开始在背部区域聚集，并在卵裂早期仍然继续这一聚集过程。这种聚集过程可以在图10. 24A-D中看到。-catenin是背轴形成的关键。用-catenin的反义寡聚核苷酸处理会使胚胎缺失背部结构。而在胚胎的复侧注入-catenin会产生第二个体轴。-cat

10、enin是Wnt信号途径中的一部分。被糖原合成激酶3（glycogene synthase kinase 3, GSK-3）负调节。GSK-3通过抑制-catenin的背部化功能而在轴形成中起关键的作用。将活化的GSK-3加入到卵子中可以阻断轴的形成。如果早期胚胎腹侧细胞中的内源性GSK-3的功能被用显性的抑制蛋白阻断，则会产生第二个体轴（figure 10. 24 E）。那么-catenin是如何在囊胚的预定背部细胞中定位的呢？标记实验证明在初始阶段，编码-catenin的母源效应基因在整个胚胎中都合成-catenin，但在腹侧通过被GSK-3介导的特异性磷酸化而降解。轴决定的关键事件可能是

11、GSK-3的抑制因子迁移到精子入卵点的对面。可能的候选因子是Disheveled（Dsh）蛋白。这种因子是GSK-3在Wnt途径中的抑制因子。Disheveled蛋白最初存在于爪蟾未受精卵植物极的皮层中，但在受精时转移到胚胎的背侧（figure 10. 25）。这样，由于在胚胎的背侧GSK-3被Disheveled蛋白抑制，不能降解-catenin而使其在背侧保持稳定。-catenin这种转录因子可以和其他转录因子结合而使这些转录因子具有新的功能。已知道-catenin可以和转录因子Tcf3结合，没有-catenin结合域的Tcf3突变体会导致胚胎没有背轴的形成。-catenin/Tcf3复合

12、体能和几个轴形成关键基因的启动子结合。其中之一是siamois。这个基因编码一种有同源异型结构域的转录因子，在发生了中期转换后立即在Nieuwkoop中心表达。如果这个基因在植物极腹侧异位表达，就会在胚胎的腹侧出现第二个体轴。如果皮层的转动被阻止，则siamois基因就不会表达。Tcf3蛋白在没有-catenin存在时结合到siamois的启动子上后，被认为能抑制siamois基因的转录。但当与-catenin形成复合体再结合到这个基因的启动子上时，则能激活siamois的表达（figure 10. 26）.Siamois 蛋白对组织者特异性基因的表达至关重要。Siamois蛋白结合和激活到几

13、个与组织者功能相关的基因的启动子上，这些基因包括转录因子Goosecoid和Xlim1基因，旁分泌因子Cerbrus和Frzb。Goosecoid是组织者中许多基因的表达所必须的。所以，胚胎的背部区域含有-catenin，-catenin将使这一区域表达siamois，siamois又将启动组织者的形成。但仅有Siamois不足以启动组织者的产生。TGF-因子也对激活Goosecoed和组织者的产生至关重要。两种可能的TGF-因子是VG1和爪蟾结相关蛋白（Xenopus nodal-related, Xnr），它们都是在内胚层中合成。2.中胚层形成的诱导：在囊胚赤道板有一条宽的环状的细胞带，被

14、植物极部位的信号因子所决定而发育为中胚层组织（figure 10.22,）。这些细胞并不是一开始就有中胚层细胞的发育潜能。如果将美西螈的中期囊胚分为动物半球顶部帽状的区、下部的环形的区，植物半球分为赤道下外层环状的区和包含大量卵黄的区。如果将、区分离培养，则只形成未分化的非典型表皮，以后逐渐退化。说明在中期囊胚区尚未获得中胚层的分化能力。培养植物极半球也不能产生中胚层结构。只有两者结合培养时才会形成中胚层结构。中胚层诱导的分子生物学：上述实验胚胎学的结果说明植物极的细胞可能分泌了某些因子能够诱导其上方的胚胎细胞特化为中胚层细胞。从1987年以后，开始分离出了一些诱导因子。迄今为止所鉴定的诱导因

15、子都是蛋白质或者糖蛋白。中胚层诱导因子包括：FGF家族（成纤维生长因子家族）：包括碱性和酸性成纤维生长因子，即bFGF、aFGF。bFGF诱导形成“腹中胚层”，即血液细胞、间充质细胞和一些肌细胞。TGF家族（Transforming growth factor，转生长因子）：包括：中胚层诱导蛋白生长因子，其他的几种活化素的衍生物。（鉴定出中胚层诱导因子是认识诱导子生化特性的一个历史性突破），BMP4（骨形态发生因子4）。BMP4最初在整个晚期囊胚中的外胚层区域和中胚层区域都表达。但在原肠发生过程中，bmp4的转录被限定在腹侧边沿区域。其原因可能是在原肠发生开始时，在背部中胚层区域（组织者）中产

16、生了Xiro1蛋白质。这种转录因子可以抑制bmp4的转录。BMP4介导表皮而非中胚层的分化。BMP4还与中胚层形成因子协同作用，赋予中胚层结构以腹部的特征。例如形成腹中胚层的心脏等。当BMP4结合到细胞上后，激活一些转录因子基因如Xvent1，Xmsx1，Vox以及Xom等的表达。这些转录因子诱导胚胎细胞向表皮外胚层和腹中胚层分化。同时，这些转录因子抑制能产生神经细胞的基因的表达。低剂量的BMP4可激活肌肉的形成。中等水平的BMP4可以引发细胞发育为肾细胞。高剂量可以引发中胚层细胞成为血细胞。不同的BMP4浓度是通过BMP4与从组织者来的BMP4拮抗物相互作用造成的（figure 10. 33

17、）。WNT家族：包括WNT-1和WNT-8。Xwnt8是Wnt生长和分化因子家族中的因子之一，与BMP一样可以抑制神经诱导。Xwnt8在整个中胚层的边沿带中合成。在未卵裂的卵中，可以找到编码这些诱导因子的卵源性mRNA。卵子一旦细胞化，这些mRNA可能被分裂到不同的卵裂球中。这些细胞转译这些信使并把制造好的因子分泌到细胞间隙中，因子从该处通过扩散到达相邻的细胞。受体细胞接受诱导后，表达brachyury基因（也是转录因子）作为应答，从而转换成中胚层细胞。扩散导致浓度梯度的建立。因为可用的空间随发源地的增加而增加。人们认为浓度梯度使胚胎区域化。已知体外培养的动物极对活化素有剂量依赖作用。低浓度引

18、起动物帽分化成表皮。但随着浓度增高，产生能分化为肌肉细胞、心脏搏动特异性肌肉细胞和脊索等的中胚层细胞。诱导的分子机制：用现代分子生物学分析方法发现，几种结相关蛋白质（Xenopus nodal-related proteins,Xnr），包括Xnr1, Xnr2和Xnr4等的基因在植物极内胚层中按背腹极性呈梯度表达。这种梯度的形成是通过VegT和Vg1与-catenin协同作用的结果（figure 10. 27）。定位于背部的-catenin与定位于腹部的Vg1信号相互作用而产生结相关蛋白质（Xnr1，2，4）在内胚层中的浓度梯度。这些结相关蛋白质的浓度梯度使中胚层特化。结相关蛋白质很少的区域

19、成为中胚层的腹部；有一定浓度结相关蛋白质的区域成为两侧的中胚层；有高浓度的结蛋白质的区域发育成为组织者。3背部化和头尾化诱导（Caudalizing induction）在爪蟾以及其他脊椎动物中，头尾轴的形成是与背腹轴的形成密切相关的。胚胎的背侧和头尾的极性都是由起源于皮层下的信号，即众所周知的灰色新月区的信号所决定的。这些信号物质是当精子刺激细胞质成分重排时分配到卵子的该部位的。一旦胚胎的背部被确定下来，卷入内部的中胚层细胞通过运动开始建立胚胎的前后轴。这种诱导分为以下几步：第一步Spemann组织中心的建立：如前所述。在32-64细胞期：在前灰色新月区下面的一小团卵裂球（即Nieuwkoo

20、p中心）接受整合某些母源信息，从而使细胞释放第一套信号（如一些转换生长因子家族的活化素等），诱导其上方的中胚层组织和建立一个重要的传播中心。这个中心即为Spemann组织者。第二步组织中心一套转录因子基因被激活表达： Nieuwkoop中心的分泌蛋白能激活组织者中一套转录因子。一些组织者中特异表达的转录因子列于表10. 2中。其中最重要的转录因子是goosecoid基因所编码的蛋白质。如果在第一次卵裂前用紫外线处理受精卵，则背部化和前端诱导，以及goosecoid基因的表达都会被明显抑制。将全长的goosecoid mRNA注射到四细胞期爪蟾胚胎的两个腹面卵裂球中，则所发育成的胚胎在原场开始时

21、，其腹面的细胞会内陷、内卷和延伸，形成第二胚胎中轴的背部中胚层和头部内胚层（figure 10. 28）。第三步Goosecoid转录因子在组织者中激活一些可扩散蛋白基因的表达：Goosecoid不是一个能分泌到细胞外的分子，因此，如果没有分泌或暴露于细胞表面分子的作用，它不能把信号传递给邻近的细胞。但goosecoid等转录因子在Spemann组织者细胞中表达以后，会在组织者中激活一些编码分泌蛋白质的基因。其中最重要的两个基因是Noggin基因和Chordin基因，它们表达合成NOGGIN和CHORDIN两种信号蛋白分子。NOGGIN和CHORDIN都在正确的位置和时间表达以调控原肠形成的运

22、动。如果在囊胚的前腹部显微注射这两种基因的mRNA则会导致第二个体轴的出现，并因此或多或少的产生出多余的胚胎（头和躯干），与移植早期背唇一样。组织者分泌的可扩散蛋白质分为两类：第一类是骨形态发生蛋白质BMP的抑制因子，第二类是Wnt蛋白质的抑制因子。组织者分泌的BMP4抑制蛋白：在爪蟾中，诱导表皮形成的因子是骨形态发生蛋白4（bone morphogenesis protein 4, BMP4）。已经知道BMP4与组织者之间有一种拮抗的关系。如果将BMP4的mRNA注射到爪蟾的卵子中，所有的中胚层都成为腹侧中胚层，在胚孔背唇处不会发生内陷和内卷的细胞运动。相反，使显性的BMP4无功能受体超量表

23、达，就会造成两个背轴的形成。BMP4可以诱导表皮外胚层细胞发育成为表皮。1996年，数个研究小组都发现和证明了组织者中合成的Noogin，Chordin和follistatin都能够阻止BMP4与外胚层以及与组织者周围的中胚层相结合。Noggin是在组织者中发现的第一个具有诱导功能的蛋白质（figure 10. 30）。实验表明新转录的noggin mRNA首先出现在胚孔背唇，然后在脊索中胚层中表达（figure 10. 31）。将noggin的mRNA注射到经UV-处理的一细胞期胚胎中，可以使胚胎恢复形成背轴和完整的胚胎。NOGGIN是分泌蛋白质，在胚孔背唇中完成两个重要的功能：一是诱导背部

24、外胚层形成神经组织；二是使中胚层背部化而不是腹部化。NOGGIN结合到骨形态发生因子BMP4和BMP2上，阻止这些蛋白质与其受体结合。第二个在组织者中被发现的蛋白质是Chordin。Chordin的mRNA也是首先在胚孔背唇中表达，然后在脊索中胚层中表达（figure 10. 32）。用morpholino antisense oligomers直接抑制chordin的mRNA的翻译，会完全阻断爪蟾中枢神经系统的诱导。与Noggin一样，Chordin也直接与BMP4和BMP2结合和阻止其与受体结合。在斑马鱼中，chordin基因的无功能突变体会使发育成的胚胎的神经板大幅度减少和使腹中胚层区域

25、扩大。第三个在组织者中表达的蛋白质是Nodal-related protein 3（Xnr 3），Xnr3蛋白是在组织者的表层细胞中表达，也能够阻止BMP3与其受体的结合而抑制其行使功能。组织者分泌出的第四个蛋白质是folistatin。原位杂交实验证明这个基因在胚孔背唇和脊索中胚层中表达。 总的来说，BMP4是腹外胚层（表皮）和腹中胚层（血细胞和结缔组织）的诱导者。而Noggin，Chordin和Follistatin可以抑制其功能。组织者通过分泌BMP4的抑制因子进行工作，而不是直接诱导神经元的形成。组织者分泌的Wnt抑制蛋白如前所述，胚孔背唇的最前端是咽内胚层和头部中胚层（索前板）。最近

26、的研究表明这些胚孔背唇最前端的细胞不仅可以诱导头部最前端结构的形成，而且是象阻断BMP4一样，是通过阻断Wnt信号途径来进行诱导的。1996年Bovuwmeester和同事证明头部最前端结构的诱导可以通过一种称为Cerberus的分泌蛋白来完成。与组织者分泌的其他蛋白质不同，Cerberus启动粘腺、眼睛、以及嗅板（都是蝌蚪最前端的结构）的形成。如果在32细胞期将Cerberus的mRNA注射到植物极腹侧的卵裂球中，就会在腹侧形成头部结构（figure10. 34）。Cerberus基因在咽内胚层细胞中表达。这种蛋白质可以与BMPs，结相关蛋白质，以及Xwnt8结合。在Cerberus的功能被

27、证明后不久，另外两个蛋白质Frzb和Dickkopf也被发现在内卷的细胞中合成。Frzb是Wnt受体Frizzed的一种小的可溶性形式。可以在溶液中与Wnt结合（figure 10. 35， 10. 36）。它在头部下方的中-内胚层中合成（figure 10. 37 A）。如果让胚胎过量表达Frzb，就不会有Wnt信号传导发生，胚胎会缺失后端腹部的结构（figure 10. 37B）。Dickkopf（德文：大头之意）蛋白也与Wnt受体直接作用，阻止Wnt信号传导。将Dickkopf的抗体注射到囊胚腔中，会导致胚胎发育成小的，没有前脑的的畸形头部结构（figure 10. 37B）。因此，躯干

28、结构的诱导可能是通过阻断来自脊索的BMP信号，但允许Wnt信号起作用而引起的。但要产生头部结构，则BMP信号和Wnt信号都必须被阻断。第四步：Noggin，Chordin等发出的信号引导预定中胚层的细胞向胚孔运动并使背唇卷入囊胚腔中。第五步：当原肠内陷时，卷入的胚孔背唇继续成为信号来源，向上朝神经外胚层，向前朝原肠顶方向传播和向后传播，而形成前浓后稀，背浓腹稀的梯度。胚孔背唇最先迁入的部分，即咽内胚层(pharyngeal endoderm)和索前板（prechordal plate）产生出前端的头部肌肉（背）和心脏（腹）结构并诱导出前脑和中脑。从胚孔背部迁入的背中胚层产生躯干部的肌肉（背）和

29、肾脏（腹）等结构并诱导后脑和脊髓的形成。从胚孔的两侧和腹部迁入的中胚层产生出后端结构。从而在正出现的原肠顶上诱导出前后、背腹的分化。 4神经形成的诱导从Spemann组织者及随后原肠的顶部发出的信号引起动物极外胚层发育成神经系统。这也分几个步骤：（1）能力的获得（神经诱导）。一旦被指定为中胚层，沿赤道的边缘带状放射信号进入动物半球，使动物极细胞获得形成神经外胚层的能力。由于浓度梯度，神经外胚层再分为成表皮区和中心的成神经板区。在表皮区BMP4继续表达，而成神经板区的BMP4表达被抑制。（2）按照双信号模式区域化当中胚层卷移入囊胚腔并在原肠形成期间移动至动物帽的内表面时，它继续朝上当的动物极外胚

30、层释放促使神经形成的信号。这些“垂直信号”最终导致不可逆转的神经决定。同时，当沿外胚层移动时，中胚层赋予外胚层渐进式的区域差别。即随着背唇的向前运动，由中胚层发出的诱导因子如Noggin和Chordin因子就会形成前稀后密这样一种水平方向的连续的梯度（figure 10. 44）。如此诱导中枢神经系统前端发育成脑、后端发育成脊髓。第一套信号：指激活子或神经形成诱导因子，启动神经发育和诱导由能力的组织形成前脑、中脑。第二套信号：转化子（或中胚层形成诱导子），把第一套信号诱导的神经组织转变成后脑和脊髓。这些信号被认为需要已诱导的神经组织作为底物，而不能直接作为未诱导的外胚层的神经诱导因子起作用。这

31、类信号分子可能是一些FGF尤其是bFGF，其作用方式与浓度有关Noggin和Chordin先诱导背部化，后诱导神经化。其原因是：1.必须考虑到连锁反应，先背部化后神经化。2.细胞对于相同的因子的反应不同，取决于因子的浓度以及细胞以前的历史。3.可能存在不同量的更多的信号分子修饰这些反应。关于神经诱导因子现在还知之甚少。使外胚层转化成神经细胞的关键蛋白可能是neurogenin。在BMP不存在的条件下，外胚层中出现的转录因子能够诱导neurogenin的表达。由BMP信号诱导产生的转录因子，如Msx1可以抑制neurogenin的表达（figure 10. 38）。Neurogenin本身也是一

32、个转录因子，可以激活一系列与神经发育相关的基因的表达。被neurogenin激活的基因之一是NeuroD。这是一个能激活编码神经结构特异性蛋白质基因的转录因子。此外，背唇和脊索中的Noggin或Cerberus可以在外胚层中激活另一个转录因子。这个蛋白质称为Xenopus brain factor 2（Xbf2），可以抑制与表皮发育相关的基因。通过这种推拉式的作用方式，背部外胚层转化为神经板组织。后端转换蛋白：Wnt信号和视黄酸与神经管后端化相关的主要蛋白质是旁分泌因子Wnt家族的一个成员。最有可能的是Xwnt8。在爪蟾胚胎中，内源性的Wnt信号和-catenin的浓度梯度是在尾端最高，在前端

33、没有（figure 10. 42A）。而且，如果Xwnt8加入到发育中的胚胎中脊髓样的神经元就会在较前端的区域出现；前脑最前端的标记就会缺失。相反，抑制Wnt信号途径，如将Frzb or Dickkopf加入到发育中的胚胎中，则会导致更多神经细胞在最前端标记中出现（figure 10. 42 B-D）。因此，当BMP梯度使背腹轴特化和诱导细胞变为神经元时，Wnt梯度相应地使前后轴特化。成纤维生长因子对允许细胞应答Wnt信号至关重要。视黄酸也被发现在神经管的尾端浓度最高；也以一种浓度依赖性的方式使神经管后端化。视黄酸信号似乎在规划后脑的式样中特别重要。但对前脑式样的规划似乎不是这样。前端转换蛋白

34、质：类胰岛素生长因子（insulin-like growth factors）最近的研究提示类胰岛素生长因子（IFGs）是形成神经管前端的结构所需要的。IGFs在胚胎的背中线处聚集，特别是在神经管的前端很明显（figure 10. 43 A）。而且，IGFs能将Chordin诱导的躯干神经组织转化成神经管前端组织。将IGF的mRNA注射到腹部卵裂球中，可以在腹部形成头部结构。而阻断IGFs与其受体结合会使胚胎的头部不能发育（figure10. 43B-E）。当IGF信号的抑制因子加入到这些胚胎中，则前端神经细胞的标记（如Otx2）几乎会被完全消失。类胰岛素生长因子似乎是通过启动一个类-FGF的

35、信号传导联级反应，干扰BMP和Wnt信号传导途径而起作用。如此看来，BMP4信号途径的抑制导致细胞能分化为神经元；但沿前后轴的分化命运依赖于与Wnt的相互作用。头部区域的细胞被保护而不与Wnt信号反应而发育成脑和基板类型的神经细胞。这种决定的完成似乎是由于类胰岛素生长因子在神经管内的作用。神经诱导的基本模式如figure 10. 44所示。（三）反应组织感应性：反应组织或细胞必须具有感应性，才能对诱导者或者组织者的刺激起反应。胚胎组织对一定的形态发生刺激是局限在发育的某一时期 感应性有初级感应性和刺激感应性之分。初级感应性是指在尚未决定的外胚层所具有的感应性。次级感应性是指在已经决定了的组织对

36、诱导刺激的感应性。初级感应性包括神经感应性和中胚层感应性。初级感应性具有以下几种性质：感应具有时间性。根据实验观察，神经感应性的消失时间是在原肠胚晚期。但开始出现神经感应性的时间尚未精确确定。中胚层感应性也具有时间的特点，但研究较少。在正常原肠形成期间，神经感应性首先消失、中胚层感应性则维持较长的时间。感应性的区域模式。早期原肠胚的预定外胚层在神经或其他构造上的感应性不显示任何区域性差异。外胚层的任何部分都能形成脑样构造，也就是说初级感应性不表现区域性。但随着正常发育的进行，不同的区域表现不同的感应。感应性有种间的差异。例如无尾和有尾两栖类对杀死的诱导者的感应性不同。无尾类没有感应性，而有尾类

37、有感应性。感应性受遗传因子控制。即具有感应性的外胚层有种的专一性。例如，蝾螈的口部表皮在被诱导后形成平衡器，而在蛙类形成吸盘。如果将早期蛙胚的外胚层移植到蝾螈的预定口部区域，则此外胚层被诱导后仍发育为蛙的吸盘;相反，将蝾螈胚的外胚层移植到蛙胚的预定口部区域则仍形成平衡器。（图811）。因此，诱导所产生的类型是受反应组织遗传因子的制约，但诱导作用可以跨越种的界限。环境因子可使外胚层的感应性发生改变。如果用LiCl处理的外胚层和背唇或脊索中胚层接触后，前脑的诱导被抑制，而中脑、后脑或脊髓的构造增多，而中胚层感应性增强。细胞周期与感应性有关。其感应能力的大小按顺序为，早S期G1-S期晚S时相G2时相

38、。而进入G2时相的细胞基本丧失了感应能力。自动神经化（antoneuralization）自动神经化是在无诱导组织或无具诱导活性的化学物质存在的情况下，外胚层外植块出现神经化的现象。自动中胚层化。用LiCl处理外胚层并结合解离，经常会导致以外胚层出现肌肉。前肾、血细胞等中胚层结构。这可能是由于外胚层中存在一种弱的中胚层化倾向。在Li抑制了神经化倾向之后，中胚层化才能表现出来。（四）异源诱导者能诱导原肠胚预定外胚层形成一定构造，并具有区域性诱导效应的异源组织称为异源诱导者。这类诱导者随不是组织者，却具有和组织者相当的形态发生效应，且无种的特异性。它包括许多成体及幼体的组织，广泛存在于动物界。异源

39、诱导者可以分为两类：A型异源诱导者：主要诱导前脑构造，缺少产生任何中胚层和内胚层分化的能力。如豚鼠的肝脏。M型异源诱导者：诱导中脑、后脑和躯尾部构造以及与其相联的中胚层和内胚层构造。如豚鼠骨髓和鸡胚提取物。异源诱导者的研究对胚胎诱导研究有一定的意义，因为异源组织量多，可提取较多有诱导活性的物质及组分供研究诱导因子之用。（五）诱导物质的化学研究分离和鉴定诱导物质是一项非常困难的工作。虽然从1925年起即有很多人从事这项研究，但直到1987年才开始确认出几种因子。已鉴定的诱导因子都是蛋白质或糖蛋白。在细胞质中存在在这些因子的mRNA。前面已经讲过。（六）初级诱导胚胎信号传递的作用对诱导者的反应是由

40、有感应性的外胚层内细胞的基因控制的。来自背唇的有活性的遗传信息不大可能在反应中起作用。也就是说诱导者对有感应的外胚层提供激发的信息而不是指令性的信息。所谓激发是指打开反应组织基因的开关。而指令性是指诱导组织所贮存的遗传信息转送到有感应性的外胚层。用如下实验可证明这一点：将蝾螈原肠胚外胚层暴露于诱导者中，一定时间之后将它们分开，并立即用放线菌素D处理外胚层（抑制反应组织基因转录）。结果外胚层仍形成表皮结构而不发生神经化。这就说明，如果神经分化出现是反应细胞对诱导者的反应，那么RNA的合成一定是由有感应性外胚层的基因被激活的结果。三次级诱导和三级诱导通过初级诱导奠定了胚体的中轴结构。为开启器官的形

41、成奠定发育的基础。以后在这个基础上，各器官形成时也同样存在诱导现象，称为次级诱导和三级诱导。例如，前脑受原肠顶前端的诱导向两侧突出而形成视泡，视泡又诱导其外的表皮层产生晶状体，晶状体又诱导其外的表皮层产生角膜等。因此，原肠顶为初级诱导者。神经板直接由初级诱导者诱导而成，其前端的衍生物（视泡等）能诱导产生出次级结构（晶状体），故神经板为次级诱导者。继之，次级结构的晶状体又诱导角膜的形成。故晶状体为三级诱导者。同样的诱导系统也见于鼻、耳及其他的器官的发育。因此，整个诱导链开始于原肠顶（初级诱导者）的作用，在神经板的不同部分构成特异的区域性次级诱导者。这样来自各个次级诱导者的诱导链形成该区域特有的器

42、官。诱导链系统图解见818。四、诱导信号的发出和应答是同源异型基因的表达模式在两栖类原肠期的Spemann组织者区域及鸟类和哺乳类的亨氏结中表达的goosecoid基因是一个同源异型基因。Gooosecoid赋予表达它的细胞以诱导的能力，使其成为诱导者，导致表达Noggin和Chordin基因两种信号分子。同时，诱导出的结构又表达另一些同源异型基因而成为次级诱导者，比如视泡等等。因此，表达主导基因的细胞或组织便成为诱导者左右轴的特化发育中的蝌蚪在外观上看起来是左右对称的，但很多内部器官，如心脏和肠管在左右两侧的分布是不平衡的。除了前后和背腹轴之外，脊椎动物还有左右轴。因此，胚胎发育时必须以某种

43、方式给出信号用以分辨哪一半是左侧，哪一边是右侧。目前所研究过的所以脊椎动物中，左右轴形成的关键事件是在胚胎左侧的侧板中胚层中一个Nodal（结）基因的表达。在爪蟾中，这个基因是称为Xnr1(Xenopus nodal related 1).如果这个基因也在右侧表达，则心脏的位置（正常时在左侧）和肠管弯曲的方向会发生紊乱。那么，是什么导致了Xnr1基因只在左侧表达呢？在非洲爪蟾中，第一个指示（cue）可能是受精时给出的。与细胞质转动相关的微管显然有关键的作用。如果抑制这些微管的形成，则没有左右轴的出现。此外，在植物半球表达的VG1蛋白也显示在胚胎的左侧优先进入活化状态。将活化状态的VG1注入到左

44、侧的植物极的卵裂球中不产生任何影响。但注入到右侧卵裂球中则引起Xnr1在左右两侧的侧板中胚层中都表达，导致心脏和肠管位置紊乱。而且，当将活化的VG1蛋白注入到胚胎右侧特定的植物极卵裂球中（背中线右侧第3个植物极卵裂球），则整个左右轴发生倒转。目前尚不清楚受精时什么样的事件导致了在原肠发生时Xnr1基因在左侧的侧板中胚层的表达。Xnr1基因指导心脏和肠管按正常方式转折的途径目前仍不清楚，但Xnr1激活的一个关键基因是Pitx2。由于Pitx2是由Xnr1激活表达的，因此在正常状态下也只在左侧表达。但当将Pitx2蛋白注入到右侧时，则心脏和肠管的位置会发生紊乱（fig10.45）Pitx2在心脏发育时将持续在胚胎的左侧表达，控制心脏的相应位置。Pitx2可能是的心脏。