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第八章神经胚和三胚层分化经过原肠作用后，胚胎已具有外、中、内三个胚层，它们是动物体所有器官形成的细胞基础（器官原基）。鱼类、两栖类、爬行类、鸟类和哺乳类都具有相同的器官发生（organogenesis）模式：外胚层形成神经系统和皮肤；内胚层形成呼吸系统和消化管；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。哺乳动物的三个胚层特化形成身体各特化谱系（lineage）的示意图。虽然生殖细胞位于预定的内胚层或中胚层，在此作为一种特殊的细胞类型与身体的三个胚层分开。Baer定律：脊椎动物早期胚胎先形成亚门共有特征，随着发育进行，胚胎逐渐出现纲、目和科的特征，最终出现种的特征。本章要点：1.神经胚形成：中枢神经系统的形成和神经嵴2.中胚层的分化：脊索和体节的分化、侧板中胚层的分化和血细胞的发育3.内胚层的分化1.神经胚形成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（neurulation），正在进行神经管形成的胚胎称为神经胚（neurula）。神经胚形成主要由两种方式：初级神经胚形成（primaryneurulation）和次级神经胚形成（secondaryneurulation）。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。而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（cavitate）形成中空的神经管。胚胎在多大程度上依赖于上述神经管构建方式取决于脊椎动物的种类。如鱼类神经胚形成属完全次级型；鸟类前端部分神经管构建属初级型，而后端部分（后肢以后）神经管构建属次级型。一、初级神经胚形成胚胎背部的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（organogenesis），即特异性组织和器官的产生。脊索中胚层指导上方的外胚层形成中空的神经管，后者将来分化成脑和脊髓。初级神经胚形成过程中，最初的外胚层形成三种类型的细胞：位于内部的神经管细胞，将来分化成脑和脊髓；位于外部的皮肤表皮细胞和神经嵴细胞，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。初级神经胚形成的过程可以分为彼此独立但在时空上又相互重叠的5个时期：1、神经板（neuralplate）形成2、神经底板（neuralfloorplate）形成3、神经板的整形（shaping）4、神经板弯曲成神经沟（neuralgroove）5、神经沟闭合形成神经管（neuraltube）两栖类和羊膜动物神经管形成示意图。两栖类和羊膜动物神经管形成示意图（续）1.神经板形成位于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（neuralplate）。神经板和表皮细胞都能发生固有运动（intrinsicmovements）。神经板和表皮细胞协调一致的运动最终引起神经管举起和交叠。神经板的形成2.神经底板形成以前认为只有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。头部神经底板形成方式可能是这样的。但最近证据表明，躯干神经底板具有独立起源，是由亨氏节一部分细胞“插入”神经板中央形成。6体节鸡胚横切，示亨氏节形成脊索和神经底板鸡和鹌鹑亨氏节移植实验（Catalaetal.,1996）躯干部神经底板有两个来源：外胚层和亨氏节3.神经板的整形和弯曲神经板的整形与神经板细胞内在力量直接有关。神经板最主要的整形作用是通过位于脊索上面的神经板中线细胞实现的，这些细胞被称为中间铰合点（medianhingepoint，MHP），它们由亨氏节前端中线细胞衍生而来。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。神经褶的形成和举起细胞形状的改变和细胞顶部的收缩驱动神经褶的形成在三个绞合点（MHP和两个DLHP）上，神经板细胞改变自己的形状，并发生顶端收缩。4.神经管闭合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。神经管的形成并非在整个外胚层同时发生，如24小时鸡神经胚的尾部区域仍在进行原肠作用时，头部神经管已明显形成。神经管前后两端的开口分别称为前端神经孔和后端神经孔。两栖类和羊膜动物神经管的闭合与神经嵴细胞的迁出。鸡胚神经管的闭合神经管最终形成一个与表面外胚层分离的闭合的圆柱体。神经管和表面外胚层的分离被认为是受不同的细胞粘连分子表达调节的。神经管细胞最初都表达E-细胞选择蛋白（E-cadherin）选择蛋白，代之以合成N-选择蛋白（N-cadherin）和N-CAM。结果两种组织不再粘附在一起。爪蟾神经形成时，两种粘附蛋白N-cadherin和E-cadherin的表达人类的神经形成。A，22天胚胎前后神经孔都开口与羊水相通；B，前端神经孔已经闭合，后端神经孔仍然开口。C，神经管闭合区域；D，无脑畸形；E，脊髓裂二、次级神经胚形成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（medullarycord）形成及其随后空洞化成为神经管。蛙和鸡胚的腰椎和尾椎形成时能观察到这种形式的神经胚形成。爪蟾次级神经胚形成过程中的细胞运动。A，原肠胚中期中胚层的内卷；B，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。25体节时期鸡胚尾区的次级神经形成三、脑区形成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。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。人脑的早期发育脑泡壁和脑泡腔在成体中形成的衍生物神经嵴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。神经嵴细胞起源于神经管最靠近背部的区域。神经嵴细胞广泛迁移，产生各种类型的分化细胞。神经嵴部分衍生物鸡胚躯干部神经嵴细胞的迁移神经嵴细胞的迁移路径由胚胎的胞外基质决定。一种蝾螈的突变体中神经嵴细胞能够形成但不能迁移，除背部之外的部位将缺乏色素细胞（B）。表皮和皮肤结构起源1.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（periderm），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（basal）或生发层，它是能形成所有表皮细胞的生发性上皮。人表皮图解基部细胞进行活跃有丝分裂，而表皮外层充分角质化的细胞不断死亡脱落。位于基部的色素细胞通过突起将色素转移到角质细胞中。生发层细胞分裂产生外面另一层细胞，构成棘层（spinouslayer）。棘层和生发层一起构成马尔皮基层（Malpighianlayer）。马尔皮基层细胞再分裂产生表皮的颗粒层（grannuallayer）。颗粒层细胞不再分裂，开始分化成表皮细胞，即角质细胞（kenatinocytes）。最终角质细胞形成角质层（cornifiedlayer）。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。有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（transforminggrowthfactor-α,TGF-α）。TGF-α由基层细胞合成，并促进基层细胞自身分裂。银屑病（psoriasis）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（keratinocytegrowthfactor,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。表皮增殖异常与生长因子2.中胚层的分化脊椎动物中胚层的分化对于器官和系统的发生起着主导和奠基的作用。其中脊索是这一阶段发育的启动和组织者，而在脊索和神经管的作用下，中胚层分化深入。脊椎动物中胚层的分化发育与神经胚的形成几乎是同时进行，相互促进的，而神经胚发育的完成又为中胚层的进一步发育奠定了形态结构以及诱导控制环境的基础。神经胚时期中胚层可分成5个区域:1.脊索中胚层（chordamesoderm）形成脊索2.背部体壁中胚层（somiticdorsalmesoderm）形成体节和神经管两侧的中胚层细胞3.中段中胚层（intermediatemesoderm）形成泌尿系统和生殖器官4.侧板中胚层（lateralplate）形成心脏、血管、血细胞以及体腔衬里和除肌肉之外的四肢所有中胚层成分5.头部间质（headmesenchyme）形成面部结缔组织和肌肉鸡胚中胚层的渐进发育。A，原条阶段；B，脊索和近轴中胚层的形成；C，D，体节、体腔和背主动脉的特化一、背部中胚层：脊索和体节分化1.轴旁中胚层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（paraxialmesoderm）。随着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（somite）。体节是临时性结构，对脊椎动物分节模式（segmentalpattern）的建成具有深远的影响。神经管和体节，示已形成的体节和尚未形成体节的轴旁中胚层。体节出现于身体的前部，并依次向后迁移形成。神经嵴细胞由神经管顶部向腹侧迁移。2.体节小体和体节形成体节能够产生构成脊椎和肋骨、背部真皮和骨骼肌以及体壁与四肢骨骼肌的细胞。第一对体节在胚胎前端形成，新体节以规则的间隔从吻端轴旁中胚层“萌发”。由于胚胎发育速度略有差异，因此体节数目通常是发育进程的最佳指标。所形成的体节总数具有种的特异性。在胚胎发育的早期，体节形成的时间顺序就已经确立了。体节的形成机制尚未很好研究。鸡胚研究表明，其体节板细胞组织形成轮状，称为体节小体（somitomere）。随着最前端的体节由松散的间充质变成致密性的上皮性结构，体节小体便转变成体节。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。体节小体向体节的转变。A，N-Cadherin表达与体节小体向体节的转变是相关的。B，Notch1在未分节的轴旁中胚层的最前端表达。C，Notch1缺陷时体节的形成被扰乱。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。Notch信号传导途径3.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。体节形成之前，各部位的预定体节细胞在发育潜能上是等同的人胚胎4周早期（A）和晚期（B）的横切面，示体节各部分结构的形成。体节腹中部细胞在脊索和神经管底板分泌的因子尤其是sonichedgehog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（sclerotome）。这些间充质细胞最终变成脊椎的软骨细胞（chondrocyte），软骨细胞将负责构建轴性骨骼。体节侧面的细胞也分散开，形成四肢和体壁的肌肉前体。随着细胞迁移的发生，鸡胚体节的结构也在发生变化。随着四肢和腹部肌肉细胞前体的迁出，生