三胚层分化

发育生物学——三胚层分化过程梳理，发育生物学（developmental biology）是一门研究生物体从精子和卵子发生、受精、发育、生长到衰老、死亡规律的科学。

三胚层分化

• 外胚层
  • 外胚层形成神经系统和皮肤
  • 最初的外胚层形成三种类型的细胞
    • 内部的神经管细胞，将来分化成脑和脊髓
    • 位于外部的神经嵴细胞
      • 从神经管和表皮连接处迁移出来，将来形成周围神经元和神经胶质、皮肤的色素细胞和其他类型的细胞（躯干神经嵴细胞）
    • 位于外部的皮肤表皮细胞
  • 神经胚
    • 神经管（中枢神经系统的形成）
      • 胚胎形成中枢神经系统原基即神经管的作用称为神经胚形成，正在进行神经管形成的胚胎称为神经胚
      • 神经管/神经胚形成的两种方式
        • 初级神经胚形成（鸟类的前端部分神经管）
          • 概念
            • 初级神经胚形成是指由脊索中胚层诱导/覆盖于上面的外胚层细胞分裂、内陷并与表皮脱离形成中空的神经管
          • 初级神经胚形成过程
            • 胚胎背部的脊索中胚层和覆盖在上面的外胚层之间的相互作用是发育中最重要的相互作用之一，它启动器官形成，即特异性组织和器官的产生
            • 神经管形成过程5个时期
              • 神经板形成
                • 背中线处预定形成神经组织的外胚层细胞变长，而预定形成表皮的细胞则变得更加扁平，使预定神经区上升到周围外胚层的上面，由此形成神经板
              • 神经底板形成
                • 头部神经底板
                  • 头部神经底板形成方式可能是神经板中线处细胞才能形成神经底板，而外缘部分和神经褶则构成神经管最靠近背面的部分/细胞形状的改变和细胞顶部的收缩驱动神经褶形成
                • 躯干部神经底板
                  • 由亨氏节一部分细胞“插入”神经板中央形成躯干神经底板，躯干部神经底板有两个来源：外胚层和亨氏节
              • 神经板的整形
                • 位于脊索上面的、亨氏节前端的中线细胞衍生出中间铰合点，参与神经板的整形作用
              • 神经板弯曲成神经沟
                • 神经板的弯曲通过神经板细胞内在力量的作用而实现，同时外胚层细胞为神经管的弯曲提供另一种动力
              • 神经沟闭合形成神经管
                • 左右神经褶被牵引到背中线结合到一起，神经管随即闭合
                • 某些动物神经褶连接处的细胞形成神经嵴细胞，但哺乳类神经褶举起时头部神经嵴细胞就开始迁移
        • 次级神经胚形成（鱼类全部和鸟类哺乳两栖的后端部分神经管）
          • 次级神经胚形成是指外胚层细胞下陷，进入胚胎形成实心细胞索，接着再空洞化形成中空的神经管
          • 次级神经胚形成可以看作是原肠作用的继续，只是背唇细胞并没有内卷到胚胎内部，而是在腹面不断生长。次级神经胚形成包括髓索形成及其随后空洞化成为神经管
            • （鸟类、哺乳类和两栖类动物胚胎的后部神经管及鱼类胚胎全部的神经管的形成采用此种方式）
          • 晚期原肠胚/早期神经胚阶段，中胚层细胞内卷停止，构成胚孔背唇的外胚层和中胚层细胞都向后端延伸
          • 早期蝌蚪的胚孔衬里细胞形成神经肠管，其一部分形成神经管腔
      • 前部神经管脑区形成前脑后脑中脑的原基
        • 神经管同时在三个层次水平上分化成中枢神经系统的不同区域
          • 在细胞学水平，神经上皮细胞本身分化成身体中不同类型的神经元和神经胶质
          • 在组织学水平，神经管壁细胞发生重排形成脑和脊髓不同的功能区域
          • 在解剖学水平，神经管及其管腔膨胀和收缩而形成脑室和脊髓的中央管
        • 脑的发育从神经管前端膨大为前脑泡、中脑泡、菱脑泡3个脑泡开始
          • 前脑泡分化为间脑和端脑
            • 端脑发育为两个大脑半球
          • 中脑泡分化为中脑
          • 菱脑泡分化为后脑和末脑
            • 后脑发育为脑桥和小脑，末脑发育为延髓
            • 后脑的分区
              • 脊椎动物后脑一般都分出多（8）个菱脑原节，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。后脑以菱脑原节为单位进行发育。
            • 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围神经、面部骨骼和结缔组织
        • 脑发育分化过程中的基因诱导现象
          • 中/后脑边界Fgf8/Wnt基因表达诱导两侧En基因梯度表达；前脑P2/P3边界被认为是shh蛋白的源头，它可能对 前脑的发育有重要作用
        • 中脑与后脑连接部诱导中脑发育
          • 中、后脑的结合带对脑的构建有重要的组织作用 A 移植中后脑结合带可以造成中脑、小脑的异位发生。 B 将中/后脑结合带 旋转180o 后原位植入，可造成中脑镜像重复结构发生
      • 后部神经管发育为脊髓
    • 神经嵴（参与周围神经系统的形成）
      • 神经嵴细胞起源于神经管最靠近背部的区域，从神经管和表皮连接处迁移出来，将来形成周围神经元和神经胶质、皮肤的色素细胞和其他类型的细胞
      • 尽管神经嵴来源于外胚层，由于其重要性而有时被称为第四胚层。神经嵴细胞广泛迁移，产生各种类型的分化细胞：
        • 神经嵴可以分为4个主要的功能域
          • 头部神经嵴细胞：软骨、骨、脑神经、 胶质细胞和面部结缔组织； 胸腺细胞、成牙细胞、内耳和颌软骨
          • 躯干神经嵴细胞：背神经节、交感神经节、 肾上腺髓质、环绕动物的神经簇；色素细胞
            • 躯干神经嵴细胞的迁移途径
              • 背侧面迁移途径：细胞在表皮下由背侧向外迁移，位于表皮与体节之间，分化为色素细胞
              • 腹侧面迁移途径：细胞通过体节前部向腹侧迁移，将分化形成背根神经节、交感和副交感神经节和肾上腺髓质细胞
              • （神经嵴细胞的迁移路径由胚胎的胞外基质决定）
          • 迷走区和骶区神经嵴细胞：肠副交感神经
          • 心神经嵴细胞： 位于头部神经嵴和躯干部神经嵴之间；发育为整个大动脉的肌肉结缔组织壁、 分隔肺循环和与主动脉的隔膜
  • 表皮和皮肤形成
    • 表皮细胞起源
      • 神经胚形成之后，覆盖胚胎表面的细胞构成预定表皮
      • 多数脊椎动物的表皮分为两层：
        • 外面一层为胚皮，是临时性结构，一旦底层细胞分化成表皮，胚皮便脱落
        • 内面一层细胞称为基层或生发层，它是能形成所有表皮细胞的生发性上皮
          • 生发层细胞分裂产生外面另一层细胞，构成棘层
          • 棘层和生发层一起构成马尔皮基层
            • 马尔皮基层细胞再分裂产生表皮的颗粒层
            • 颗粒层细胞不再分裂，开始分化成表皮细胞，即角质细胞，角质细胞形成角质层
            • 角质层细胞生成后不久就脱落，并被颗粒层新形成的细胞所取代
    • 两种主要生长因子能刺激表皮发育
      • 第一种是转化生长因子-α
        • 银屑病患者特征是大量表皮细胞脱落，可能与TGF- α过度表达有关
      • 另一种生长因子是角质细胞生长因子（keratinocyte growth factor, KGF），也称为成纤维细胞生长因子7（FGF7）
        • KGF是真皮下面的成纤维细胞产生的一种外分泌生长因子，调节基层细胞的增殖
• 内胚层
  • 内胚层形成呼吸系统和消化管
  • 胚胎内胚层的功能是构成2种管道的内表皮
    • 消化管：将依次分化产生食道、胃、肝脏、胰腺、胆囊、小肠、大肠
    • 呼吸管：由消化道出芽外伸，最终分叉形成两个肺。
  • 咽是呼吸管和消化管在胚胎前端所共有的一个腔。 呼吸管与消化管均起源于原肠
• 中胚层
  • 中胚层形成结缔组织、血细胞、心脏、泌尿系统以及大部分内脏器官等
  • 神经胚期，中胚层可以分为5个区域
    • 脊索中胚层—形成脊索
      • 脊索在为早期胚胎提供完整的体轴和诱导背部神经管形成之后，大部分脊索退化，在脊椎之间，脊索细胞形成椎间盘的组织即髓核
      • 脊索和神经管底板分泌的因子Sonic hedgehog蛋白诱导生骨节细胞表达一种新的转录因子Pax1。Pax1能够激活软骨特异性基因表达，它的存在对于脊椎的形成是必要的
    • 轴旁中胚层（体节背中胚层）—形成体节\中轴骨
      • 中胚层和内胚层器官的形成与神经管同步发生。在脊索两侧加厚的中胚层带，即轴旁中胚层
      • 体节
        • 体节形成
          • 原条退化和神经褶开始在胚胎中央合拢，轴旁中胚层分隔成细胞团块，称为体节。体节是临时性结构，对脊椎动物分节模式的建成具有深远的影响。
          • 体节形成过程
            • 原条或尾芽中的间质细胞向头部方向移动进入轴旁中胚层（前体节板）后部，构成体节小体，它们是体节的前体
            • 前体节板中的体节球继续向头部方向移动，同时其内的细胞数量增加、细胞外基质积累
            • 前体节板中的最前端的一个体节球内细胞间致密化、外侧细胞表皮化导致它与后面的体节球分开，从前体节板中迁出，成为体节
          • 体节形成的顺序在前体节板中已被确定
          • 体节按一定的速度从前体节板中“出芽”生成，因而体节数常用于表示胚胎发育所处的时期。体节数量因物种而异，哺乳动物和爬行动物的前体节板中一般有6-7对体节球，鱼和鸟类有10-12对体节球
          • 体节形成中的基因表达调控
            • 从体节小体转变成体节的过程与两种细胞外基质蛋白纤连蛋白（fibronectin）和N-细胞选择蛋白（N-Cadherin）的合成有关。这些蛋白的合成又受Notch1和paraxis的表达调控
              • Notch1基因编码的转录因子在未分节背部中胚层最前端区域有活性；缺乏Notch蛋白的小鼠体节排列紊乱，大小不一
              • Paraxis也编码一种转录因子，在小鼠和鸡胚吻端未分节中胚层表达。注射与paraxis互补的反义寡核苷酸导致体节分节出现缺陷。Paraxis蛋白是实现体节从间充质到上皮转换的必要成分
        • 体节细胞的分化
          • 当体节最初形成时，各部位的细胞在发育上是等潜能的，任何体节细胞都能变成所有体节衍生的结构。但随着体节成熟，体节各区定型，只能形成一定的细胞类型。 体节的特化是通过几种组织相互作用而完成
          • 生骨节
            • 体节腹中部细胞在脊索和神经管底板分泌的因子尤其是sonic hedgehog蛋白诱导下，失去圆形上皮细胞的特性，再度变成间充质细胞，产生这些细胞的体节部分称为生骨节
            • 这些间充质细胞最终变成脊椎的软骨细胞，构建轴性骨骼。
            • 体节侧面的细胞也分散开，形成四肢和体壁的肌肉前体
          • 生皮肌节
            • 随着生骨节细胞和四肢及体壁肌肉细胞前体从体节中迁移出来，最靠近神经管的体节细胞向腹面迁移，保留下来的体节上皮细胞形成双层实心上皮，成为生皮肌节
              • 生皮肌节的背层为生皮节，产生背部真皮
              • 而其内层细胞为生肌节，产生横跨脊椎使背部能够弯曲的脊椎肌肉
        • 体节模式建成过程中的基因调控
          • 体节腹中部细胞在脊索和神经管底板分泌的因子shh蛋白诱导形成生骨节
            • 生骨节细胞表达Pax1
          • 体节中部细胞在背部神经管分泌的因子（Wnt家族成员）诱导下形成轴上肌
            • 中央生皮肌节细胞表达肌肉发生蛋白Myf5
          • 可能在表皮的Wnt蛋白和来自侧板中胚层的BMP-4联合诱导形成四肢和体壁肌肉的轴下肌
            • 侧面生皮肌节表达肌肉发生转录因子MyoD和扩散因子受体c-met
          • 神经管分泌的另一个因子神经营养蛋白3（neurotrophin 3，NT-3）诱导生皮节形成
            • 生皮肌节中间部分表达Pax3，形成真皮
      • 骨
        • 脊索和神经管底板分泌的因子Sonic hedgehog蛋白诱导生骨节细胞表达一种新的转录因子Pax1。Pax1能够激活软骨特异性基因表达，它的存在对于脊椎的形成是必要的
        • 生骨细胞的3个来源： 生骨节—形成中轴骨 侧板中胚层—形成肢骨 脑神经嵴—形成鳃弓、颅骨和面 部软骨
          • 生骨的方式： 膜内成骨（intranmenbrane ossification）：直接将间充质细胞转变为骨，是头部骨的主要产生方式。 软骨内成骨（endochondral oddification ）：先形成软骨中间体，再矿化为骨。脊椎、骨盆、肢体骨的形成采用此种方式
          • 膜内成骨过程：来自神经嵴的间充质细胞浓缩为成骨细胞（osteoblast），它们分泌胶原蛋白多糖基质，以吸附钙盐使成骨基质钙化。随着成骨基质的钙化，骨化区连成一片称为骨片（body spicules），被致密的间充质细胞所包围，这层间充质细胞叫做骨外膜（periostem）
          • 影响骨生长的因素
    • 侧板中胚层—形成心脏、血管、血细胞、四肢骨骼和部分胚外结构等
      • 它将形成心脏、血管、循环系统的血细胞、体腔内壁、肢体中除了肌肉以外的其他中胚层成分。侧板中胚层也帮助形成一系列胚外膜，使得营养能从母体传输给胎儿
      • 进一步分化为
        • 背部的体壁中胚层
        • 腹部的脏壁中胚层
          • 羊膜动物心脏的形成
            • 生心中胚层的形成
              • 当亨氏节伸长至胚盘中央时，位于亨氏节之后的原条中的细胞向两侧迁移，形成位于亨氏节两侧中胚层细胞群，即生心中胚层
              • 生心中胚层可分化出三种细胞：心内膜细胞、前方肌细胞、心室肌细胞
              • 生心中胚层在外胚层和内胚层之间继续向前迁移至亨氏节前的两侧
            • 心管形成
              • 随着神经胚形成的不断进行，脏壁中胚层形成皱褶将前肠包裹
              • 脏壁中胚层向内形成皱褶的运动将心脏两个双壁管带到一起，最终心肌外膜合并成一根管，心管
              • 至此，原先成对的体腔合并成一个，心脏位于其中
            • 阻止侧板中胚层的合并，将导致发生心脏断裂（cardia bifida），即在身体两侧形成分裂的心脏。
          • 血管的形成
            • 成血细胞起源于脏壁中胚层，是血管和血细胞的共同祖先
              • 血管形成的第一阶段
                • .中胚层细胞聚集为血岛（blood islands），其中央的细胞为血液干细胞，而外侧的细胞为成血管细胞
                  • 影响vasculogenesis的因子
                    • 碱性成纤维细胞生长因子（bFGF2）：负责血管细胞的产生。由绒毛膜或尿囊膜合成，诱导脏壁中胚层产生成血细胞。 血管内皮细胞生长因子（VEGF）：它是成血管细胞分化的特异因子。由血岛附近的间充质细胞合成，使成血细胞分化出成血管细胞，并使后者增生。 血管生成素1（angiopoietin-1）：它的主要作用为介导内皮细胞和平滑肌间的相互作用。将类平滑肌细胞富集到内皮细胞上，此两种细胞的互作将维持血管的完整性和不分化。
                • 成血管细胞增殖并分化为内皮细胞，用于形成血管的内衬
                • 内皮细胞形成管，管间相互连接形成初级毛细血管丛
              • 血管形成的第二阶段
                • VEGF：作用于新形成的毛细血管，使特定位置的细胞间的接触松弛并降解其胞外基质，有利于长出新的血管和血管间的融合（如成为动脉和静脉）。 TGFβ：促进胞外基质的分泌，有利于血管的稳定。 PDGF：将类平滑肌细胞富集到血管上，使血管壁具有柔性。
      • 胚外膜的形成
        • 爬行类胚胎形成了四套胚外膜，用以调节胚胎和环境之间的关系，实现在干燥陆地发育。 正在发育的爬行类、鸟类和哺乳类胚胎本身和胚外区域起初并无明显差别。随着胚体逐渐成形，边缘上皮不均等分裂，产生体褶（body fold），把胚胎和卵黄分开，并勾画出胚胎本身和胚外结构的轮廓。
    • 居间中胚层—形成泌尿系统和生殖管
      • 肾的形成
        • 原肾管的形成和分化
          • 原肾管产生于体节腹下两侧的居间中胚层
          • 其后向尾部延伸，前部原肾管诱导附近的间质细胞形成原肾，两栖动物和鱼的原肾小管将形成功能性的肾脏
        • 哺乳动物肾的形成
          • 哺乳动物的原肾小管形成后，前部原肾管会和其退化
          • 中部原肾小管（中肾管）诱导附近间质细胞形成中肾(其作用是作为血液干细胞发源地，并在雄性个体中转变为输精管)
          • 哺乳动物后肾的形成
            • 后部肾管附近的间充质细胞诱导肾管长出输尿管芽
            • （肾管后部通过与输尿管芽互作而形成后肾，在此过程中中肾管凋亡）
            • 输尿管芽延长进入间充质细胞并分支，分支顶端细胞诱导间充质细胞聚集形成肾小管和肾小球（肾单位）
            • 肾单位之间通过输尿管芽的管相连，输尿管芽形成肾的收集管和输尿管，将肾中的尿排入膀胱
    • 头部间质—形成一些面部的结缔组织和肌肉系统