脊椎动物胚轴形成

发育生物学中的胚轴建立机制

母源性决定子的作用；细胞间的相互作用和信号传导子的作用

两栖类胚轴形成

由受精时卵质的重新分布决定：精子入卵点的对侧形成灰色新月，标志胚胎背侧

  • 灰色新月对侧为腹侧
  • 动物极附近的背侧形成头部
  • 对应侧形成尾部
背侧 (Dorsal)
腹侧 (Ventral)
前部 (Anterior)
后部 (Posterior)

关键分子机制

  • β-catenin是背部化因子
  • 腹侧化因子为BMP2B
  • 脊索中胚层分泌Chordino抑制BMP2B

鱼类胚轴形成

背腹轴机制与两栖类相似，前后轴在卵子发生时启动

背腹轴形成

  • β-catenin作为背部化因子
  • BMP2B作为腹侧化因子
  • 脊索中胚层分泌Chordino抑制BMP2B

前后轴形成

  • 动物帽是前端
  • 原肠胚期前端神经细胞分泌前端诱导因子（第一信号中心）
  • 胚盘边缘侧板脊索中胚层前体细胞分泌后端信号（第二信号）

胚盾实验

胚盾诱导宿主的侧板和腹侧中胚层转变为背部中胚层，并使外胚层发育为神经细胞

鸟类胚轴形成

背腹极在卵裂期起始，头尾轴根据重力和输卵管旋转决定

  • 通过胚盘上下的pH梯度建立背腹极
  • 重力决定头尾轴
  • 重力决定两侧对称性
鸟类胚盘发育机制
前端 后端

重力影响卵黄位置 → 后端边缘区 → 原条形成

组织者结构

原结（Hensen's node）为鸟类的组织者，具有诱导神经管形成的能力

哺乳类胚轴形成

背腹轴由内细胞团位置决定，头尾轴由复杂信号网络调控

  • 根据胚胎内细胞团（ICM）位置决定背腹面
  • 头尾轴可能由排卵时Hox基因表达决定
  • Nodal和Wnt等信号参与前后轴形成

哺乳动物发育信号通路

Nodal信号

Wnt通路

Hox基因表达

哺乳动物胚轴形成机制复杂，涉及多个信号通路的网络式调控

组织者分泌因子

组织者分泌蛋白因子抑制BMP和WNT信号，促进神经发生

因子类型 关键分子 功能
BMP抑制因子 Noggin, Chordin, Follistatin 抑制BMP4，促进神经发生
WNT抑制因子 Cerberus, Frzb, Dickkopf 阻止WNT信号传导
后端化因子 FGF, WNT3a, 视黄酸(RA) 调控后端分化
中侧轴特化因子 Nodal, Pitx2 调控左右不对称发育

BMP4的关键作用

BMP4是最重要的上皮分化和腹侧化诱导因子，对神经发生起抑制作用

视黄酸(RA)实验

不同浓度RA处理晚期神经胚，显示RA作为后端化因子的梯度效应

左右不对称发育

脊椎动物左右不对称发育由Nodal和Pitx2调控

左侧发育信号

  • Nodal-相关基因在左侧表达
  • Pitx2在胚胎左侧专一性表达
  • VG1蛋白增加左右对称特化
  • 决定心脏弯曲和肠盘绕方向

右侧发育信号

  • Snail基因表达
  • BMP信号激活
  • 形成右侧特异性结构

Pitx2是决定左右不对称发育的关键转录因子，调控心脏弯曲和肠盘绕方向

调控机制

  • 鸡：原条延伸至最长时启动左右分化
  • 斑马鱼：Kupffer囊泡纤毛运动建立左右不对称
  • 小鼠：节点纤毛产生左侧液流

Hox基因与体轴形成

Hox基因沿前-后轴形成表达梯度，决定体节分化

小鼠和鸡Hox基因表达图式
前部 后部

枕部 → 颈部 → 胸部 → 腰部 → 骶部 → 尾部

基因簇 表达区域 功能
Hox 1-4 枕部、颈部 前部结构发育
Hox 5-8 胸部 胸椎形成
Hox 9-10 腰部 腰椎形成
Hox 11-13 骶部、尾部 后部结构发育

Hox基因的时空表达模式精确调控脊椎动物前后轴的分化