发育生物学——体节与神经系统

DevelopmentalBiology-Spring2007Slide*脊椎动物体节与早期神经系统的模式建成DevelopmentalBiology-Spring2007Slide* 在原肠运动进行的过程中及之后一段时间内，脊椎动物的模式建成沿身体的前后轴和背腹轴进行。 Keymorphogeneticeventsaretheformationofthesomites,whichgiverisetomuscles,skeletonanddermis.轴旁中胚层由紧邻脊索增殖较快的中胚层细胞形成纵列的细胞索，并很快横裂为左右成对的体节。体节共42-44对，分化为真皮、中轴骨骼及骨骼肌。 神经系统是背方外胚层由邻近组织，特别是组织者(organizer)区域发出的诱导形成的。DevelopmentalBiology-Spring2007Slide*体节是沿前后轴按照预定顺序形成的GrowthfactorFGFandretinoicacid(RA)gradientshelptopatterntheantero-posterioraxisinthemouseembryosDevelopmentalBiology-Spring2007Slide* Anantero-posteriorgradientofFGFdevelopsintheembryo,withitshighpointatthenode ThesomitesareformedwhentheFGFlevelsdropstosomelowthreshold. RetinoicacidsecretedbythesomitesformsanopposinggradientthatantagonizesFGF.DevelopmentalBiology-Spring2007Slide*体节是沿前后轴按照预定顺序形成的 Somitesdifferentiateintoparticularaxialstructuresdependingontheirpositionalongtheantero-posterioraxis:anterior-most–skull,posterior-cervicalvertebrae,moreposterior-thoracicvertebraewithribs. PositionspecificationDevelopmentalBiology-Spring2007Slide* HOM-C基因的结构十分复杂，有的基因有多个启动子和多个转录起始位点。其另一个重要特征是都含有一段的保守序列，称为同源异型框(homeobox)。含有同源异型框的基因统称为同源异型框基因(homeoboxgene)。 由同源异型框编码的同源异型结构域(homeodomain)可形成与DNA特异性结合的螺旋-转角-螺旋结构(helix-turn-helix)。前后轴上不同位置的体节的特性是由Hox基因特化的DevelopmentalBiology-Spring2007Slide*HOM-C同源异型框形成与DNA特异结合的螺旋-转角-螺旋结构。DevelopmentalBiology-Spring2007Slide*前后轴上不同位置的体节的特性是由Hox基因特化的 Patterningalongantero-posterioraxisinvolvestheexpressionofasetofgenesthatspecifypositionalidentityorpositionalvaluealongtheaxis.TheHoxgenes. Inthemouse,4Hoxcomplexes,designatedHoxa,b,c,d 果蝇HOM-C的表达使每一个体节被进一步特化，ThehomeoboxgenesareawidespreadconservationofdevelopmentalgenesinanimalsDevelopmentalBiology-Spring2007Slide*ModelforaHoxgeneclusterrecordspositionalidentityGeneactivitycanprovidepositionalvalue.ThemodelshowshowthepatternofgeneexpressionalongatissuecanspecifythedistinctregionsW,X,YandZ.e.g.,onlygeneIisexpressedinregionWbutallfourgenesareexpressedinregionZ.DevelopmentalBiology-Spring2007Slide*Temporalandspatialcolinearity:orderofHoxgenesinDNAfollowstheantero-posteriorbodyaxis.WhyhaveHoxgenesstayedtogetherinacomplex?Fig.19DevelopmentalBiology-Spring2007Slide*RAREHoxcomplexeshavearetinoicacidreceptorresponseelement(RARE)intheDNAbeforeparalogue1.ThisDNAenhancerelementcontrolsexpressionofmanygenesinthecomplex.Inretinoicacidteratogenesis,Hoxgeneexpressionbordersmoveintomoreanteriorregions.Fig.23DevelopmentalBiology-Spring2007Slide*TheroleofHoxgenescanbestudiedbyknock-outDevelopmentalBiology-Spring2007Slide*Hoxgeneexpressioninthemouseembryoafterneurulation The“anterior”genesareexpressedfirst.Inthemouse,4Hoxcomplexes,designatedHoxa,b,c,d Astheposteriorpatterndevelopslate,clearlydefinedpatternsofHoxgeneexpressionaremosteasilyseeninthemesodermandtheneuraltubeaftersomiteformationandneurulation,respectively.DevelopmentalBiology-Spring2007Slide*Hox基因在小鼠体节中的表达 ThepatternsofHoxgeneexpressioncouldspecifytheidentityofthetissuesatdifferentposition Forexample,thepatternofexpressionisquitedifferentinanteriorandposteriorregionsofthebodyaxisDevelopmentalBiology-Spring2007Slide* PatternsofHoxgeneexpressioninthemesodermofchickandmouseembryos,andtheirrelationtoregionalization Hoxd9andHoxd10areexpressedatthetransitionbetweenlumbarandsacralregions,asHoxc5/6atthecervicalandthoracicvertebraltransitioninbothchickandmouse.DevelopmentalBiology-Spring2007Slide*敲除或过表达Hox基因均可造成体轴模式建成的改变 Hoxa3-/-:structuraldefectsintheregionsoftheheadandthorax;butmoreposterioraxialstructures,shownoevidentdefects. Posteriordominanceorposteriorprevalence:moreposteriorlyexpressedHoxgenestendtoinhibittheactionoftheHoxgenesnormallyexpressedanteriortothem.DevelopmentalBiology-Spring2007Slide*敲除或过表达Hox基因均可造成体轴模式建成的改变 Homeotictransformation:lossofHoxgenefunctionresultsintheconversionofonebodypartintoanother.e.g.,Hoxa8-/-mice,thefirstlumbarvertebraistransformedintoarib-bearingthoracicvertebra. microRNAmaybeinvolvedinpost-transcriptionalregulationofHoxgeneexpression.DevelopmentalBiology-Spring2007Slide*Hox基因缺陷导致肢体相应部位的缺失DevelopmentalBiology-Spring2007Slide*人的多指症也可能与Hox基因的异位表达有关DevelopmentalBiology-Spring2007Slide*神经管的形成神经管(neuraltube)是中枢神经系统的原基，其形成称为neurulation。其方式分primaryneurulation和secondaryneurulation两种。1.Primaryneurulation:由外胚层细胞增殖、内陷并最终离开外胚层表面而形成中空的神经管。绝大多数脊椎动物前部神经管的形成采用此种方式。DevelopmentalBiology-Spring2007Slide*神经管形成的起始：来自背部中胚层的信号诱导预置神经板边缘的细胞的背测收缩，而预置的表皮细胞向中线移动，使表皮与神经板交接处凸起形成神经褶。DevelopmentalBiology-Spring2007Slide*Primaryneurulation的过程神经管形成的扫描电镜图DevelopmentalBiology-Spring2007Slide*神经管与相邻外胚层细胞分离可能与细胞粘连分子有关DevelopmentalBiology-Spring2007Slide*神经管沿A－P轴线依次闭合，完成形成过程。DevelopmentalBiology-Spring2007Slide*人类胚胎的神经管闭合缺陷症不同区域的神经管的封口时间不同。第二区封口失败，胚胎的前脑不发育，即致死性的无脑症；第5区不封口导致脊柱裂口症。SonicHedgehog、Pax3等因子是神经管闭合所必需的。孕妇服用叶酸和适量的胆固醇可降低胎儿神经管缺陷的风险。DevelopmentalBiology-Spring2007Slide*SecondaryNeurulation特点：外胚层细胞下陷进入胚胎形成实心细胞索，然后在细胞索中心产生空洞形成中空的神经管。鸟类、哺乳类、两栖类动物胚胎的后部神经管及鱼类胚胎的全部神经管的形成采取此种方式。斑马鱼神经管的形成DevelopmentalBiology-Spring2007Slide*Organizermesoderm诱导神经管的形成两栖动物胚胎胚孔背唇诱导第二胚轴形成的作用叫做primaryembryonicinduction神经诱导作用DevelopmentalBiology-Spring2007Slide*组织者的作用及神经诱导：genesintheorganizer Asimilarpatternofgeneactivityinthe2animals,withhomologousgenesbeingexpressed. Goosecoid,isanearlymarkeroftheorganizerthatisexpressedinthecellsgivingrisetoforegut,pre-chordalplateandnotochord;mimicalmostallthepropertiesoftheorganizer.DevelopmentalBiology-Spring2007Slide*外胚层被诱导形成神经板 Thenervoussystemisinducedduringgastrulation. Theventraltissuehasnotbeendeterminedatthetimeoftransplantation,andtheneuraltissueisinducedduringgastrulation.DevelopmentalBiology-Spring2007Slide*中胚层发出的信号造成神经系统模式建成 Inductionofthenervoussystembythemesodermisregionspecific MesodermfromdifferentpositionsalongthedorsalA-Paxisofearlyneurulasinducesstructuresspecifictoitsregionoforigin;anteriormesoderminduceaheadandbrain;posteriormesoderminducesatrunkandtailDevelopmentalBiology-Spring2007Slide*Modelsofneuralpatterningbyinduction-two-signalmodel Onesignalfromthemesodermfirstinducesanteriortissuethroughoutthewholeectoderm.Asecond,graded,signalfromthemesodermthenspecifiesmoreposteriorregions;Qualitativelydifferentinducesarelocalizedinthemesoderm Posteriorizingsignals:Wnt(frog,chickandZebrafish),AVE(mouse)DevelopmentalBiology-Spring2007Slide*神经诱导作用的机制组织中心产生的信号分子(如Chordin、Noggin、Follistatin)可拮抗腹部化信号(如BMP4)，从而使其附近的外胚层细胞朝预置的神经命运发育。BMP4是最重要的上皮分化和腹侧化诱导因子。对于神经发生而言，它是抑制因子或抗神经化因子。DevelopmentalBiology-Spring2007Slide*四、神经元的分化神经元命运的确定－lateralinhibition跨膜蛋白Delta和Notch的相互作用在神经元命运确定中起关键作用。二者互作后，Notch通过一系列反应抑制NeuroD和Neurogenin的表达。Neurogenin是激活Delta表达所必需的。DevelopmentalBiology-Spring2007Slide*脊髓沿D－V轴线的分化脊髓沿背－腹轴线的不同区域的细胞有不同的发育命运.DevelopmentalBiology-Spring2007Slide*脊髓沿D－V轴分化的机制腹部命运：决定于来自脊索和floorplate的信号。将脊索置于脊髓的侧面或背部，其接触的脊髓部位将形成第二个floorplate,附近分化出motorneuron,但背部标志基因pax3和pax7的表达受抑制。腹部信号分子是SonicHedgehog，其不同的浓度决定了不同的腹部命运(高浓度诱导motorneurons,而低浓度诱导C.neurons)。背部命运：决定于来自神经管形成中背部外胚层产生的BMP4和BMP7,它们能够诱导脊髓背部细胞表达BMP4和Dorsalin-1。背、腹部信号分子间的互作提供了脊髓细胞分化的位置信息。如将notochord去除后，Dorsalin的表达区就向腹部扩展。DevelopmentalBiology-Spring2007Slide*后脑的分区脊椎动物后脑一般都再分出多个菱脑原节(rhom-bomeres),每个菱脑原节是一个发育单位，节内的细胞可交换，而节间不能交换。后脑产生控制面部和颈部的神经，其产生的神经嵴细胞分化出周边神经和面部骨骼和结缔组织。DevelopmentalBiology-Spring2007Slide*Hox基因在不同的后脑区域有不同的表达谱DevelopmentalBiology-Spring2007Slide*Hox基因为在发育中的后脑提供位置信息在菱脑原节表达的转基因动物模型：Hoxb2的一个增强子使lacZ在r3和r5中表达；而Hoxb1的一个增强子使碱性磷酸酶在r4表达。DevelopmentalBiology-Spring2007Slide*Summary 体节是原肠运动后形成的由中胚层组织组成的块状结构，从胚胎的前端开始，体节在脊索两侧按顺序成对形成，发育成脊椎骨、躯干肌肉和真皮。 发育成体节的中胚层的区域性特性在体节形成前就已经特化。体节的位置特性是由Hox复合物的基因沿前后轴表达的不同组合形式特化的，从后脑到身体的后端，这些基因表达的顺序与他们在染色体上的位置顺序相对应。 Hox基因的突变或过量表达通常造成这个基因表达区域前方的局部缺陷，可导致同源异型转换。Hox基因提供的位置信息能特化特定区域的特性及它随后的发育。DevelopmentalBiology-Spring2007Slide*Summary 身体前后轴和背腹轴的模式建成，与原肠运动时组织者的作用及它的形态发生紧密相关。小鼠胚胎中，原结能特化除前脑最前端外的一条新体轴，而前脏壁内胚层对剩余部分的诱导是必需的。 脊椎动物的神经系统源自神经板，在原肠运动时，由外胚层和位于预定神经板外胚层下面的中胚层来源的早期信号共同诱导而成。双信号模型可以部分解释神经板的模式建成：外胚层首先被特化成前方神经组织，而后另一套可能为梯度的信号特化更多后方的结构。DevelopmentalBiology-Spring2007Slide*Summarytosomitesandearlynervoussystem 原肠运动时，在囊胚形成时特化的三胚层沿前后轴和背腹轴进行模式建成。细胞沿前后轴的不同位置特性是由四个Hox基因复合物中不同基因的组合表达编码的，它们为不同区域提供特性密码。 Hox基因在染色体上的位置与它们沿胚胎前后轴后脑之后的表达位置存在时空上的共线性的关系。Hox基因的失活或过量表达都能导致胚胎某些区域的不正常和体轴上的某“一节”向“另一节”的同源异型转换，表明这些基因对于特化胚胎区域的特性具有重要意义。DevelopmentalBiology-Spring2007Slide*Summarytosomitesandearlynervoussystem 原肠运动末期，基本身体图示已经确立，神经系统已被诱导。 神经系统的诱导和模式建成，需要早期外胚层和下面的中胚层来源的信号共同参与。在后脑中，神经组织和神经嵴细胞的位置阈值都是由Hox基因的表达确定的。