发育生物学体节和神经系统课件.ppt

1、Developmental Biology - Spring 2007Slide 1文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。l 在原肠运动进行的过程中及之后一段时间内，脊椎动在原肠运动进行的过程中及之后一段时间内，脊椎动物的物的模式建成沿身体的前后轴和背腹轴模式建成沿身体的前后轴和背腹轴进行。进行。l Key morphogenetic events are the formation of the somites, which give rise to muscles, skeleton and dermis. 轴旁中胚层由紧邻脊索增殖较轴旁中胚层由紧邻

2、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。体节共成对的体节。体节共42-44对，分化为对，分化为真皮、中轴骨骼真皮、中轴骨骼及骨骼肌。及骨骼肌。l 神经系统是神经系统是背方外胚层背方外胚层由邻近组织，特别是由邻近组织，特别是组织者组织者(organizer)区域发出的诱导形成的。区域发出的诱导形成的。Developmental Biology - Spring 2007Slide 2文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。体节是沿前后轴按照预定顺序形成的体节是沿前后轴按照预定顺序形

3、成的Growth factor FGF and retinoic acid (RA) gradients help to pattern the antero-posterior axis in the mouse embryosDevelopmental Biology - Spring 2007Slide 3文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。l An antero-posterior gradient of FGF develops in the embryo, with its high point at the nodel The somit

4、es are formed when the FGF levels drops to some low threshold.l Retinoic acid secreted by the somites forms an opposing gradient that antagonizes FGF.Developmental Biology - Spring 2007Slide 4文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。体节是沿前后轴按照预定顺序形成的体节是沿前后轴按照预定顺序形成的l Somites differentiate into particul

5、ar axial structures depending on their position along the antero-posterior axis: anterior-most skull, posterior-cervical vertebrae, more posterior-thoracic vertebrae with ribs.l Position specificationDevelopmental Biology - Spring 2007Slide 5文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。前后轴上不同位置的体节的特性是由前后轴

6、上不同位置的体节的特性是由Hox基因特化的基因特化的 HOM-C基因的结构十分复杂，有的基因有多个启动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，称为一段的保守序列，称为同源异型框同源异型框(homeobox)。含。含有同源异型框的基因统称为同源异型框基因有同源异型框的基因统称为同源异型框基因(homeobox gene)。 由同源异型框编码的同源异型结构域由同源异型框编码的同源异型结构域(homeodomain) 可形成与可形成与DNA特异性结合的螺旋特异性结合的螺旋-转角转角-螺旋结构螺旋

7、结构 (helix-turn-helix) 。Developmental Biology - Spring 2007Slide 6文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。HOM-C同源异同源异型框形成与型框形成与DNA特异结合特异结合的螺旋的螺旋-转角转角-螺旋结构。螺旋结构。Developmental Biology - Spring 2007Slide 7文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。前后轴上不同位置的体节的特性是由前后轴上不同位置的体节的特性是由Hox基因特化的基因特化的l Patterning alo

8、ng antero-posterior axis involves the expression of a set of genes that specify positional identity or positional value along the axis. The Hox genes.l In the mouse, 4 Hox complexes, designated Hoxa, b, c, dl 果蝇果蝇HOM-C的表达使每一个的表达使每一个体节被进一步特化，体节被进一步特化， The homeobox genes are a widespread conservation

9、of developmental genes in animalsDevelopmental Biology - Spring 2007Slide 8文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。Model for a Hox gene cluster records positional identityGene activity can provide positional value. The model shows how the pattern of gene expression along a tissue can specify the dist

10、inct regions W,X,Y and Z. e.g., only gene I is expressed in region W but all four genes are expressed in region Z.Developmental Biology - Spring 2007Slide 9文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。Temporal and spatial colinearity: order of Hox genes in DNA follows the antero-posterior body axis. Why h

11、ave Hox genes stayed together in a complex?Fig. 19Developmental Biology - Spring 2007Slide 10文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。RAREHox complexes have a retinoic acid receptor response element (RARE) in the DNA before paralogue 1. This DNA enhancer element controls expression of many genes in th

12、e complex. In retinoic acid teratogenesis, Hox gene expression borders move into more anterior regions. Fig. 23Developmental Biology - Spring 2007Slide 11文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。The role of Hox genes can be studied by knock-outDevelopmental Biology - Spring 2007Slide 12文档仅供参考，不能作为科学依据

13、，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。Hox gene expression in the mouse embryo after neurulationl The “anterior” genes are expressed first. In the mouse, 4 Hox complexes, designated Hoxa,b,c,dl As the posterior pattern develops late, clearly defined patterns of Hox gene expression are most easily seen in the mesod

14、erm and the neural tube after somite formation and neurulation, respectively.Developmental Biology - Spring 2007Slide 13文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。Hox基因在小鼠体节中的表达基因在小鼠体节中的表达l The patterns of Hox gene expression could specify the identity of the tissues at different position l For example,

15、 the pattern of expression is quite different in anterior and posterior regions of the body axisDevelopmental Biology - Spring 2007Slide 14文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。l Patterns of Hox gene expression in the mesoderm of chick and mouse embryos, and their relation to regionalizationl Hoxd9

16、 and Hoxd10 are expressed at the transition between lumbar and sacral regions, as Hoxc5/6 at the cervical and thoracic vertebral transition in both chick and mouse.Developmental Biology - Spring 2007Slide 15文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。敲除或过表达敲除或过表达Hox 基因均可造成体轴模式建成的改变基因均可造成体轴模式建成的改变l Hoxa3

17、-/- : structural defects in the regions of the head and thorax; but more posterior axial structures, show no evident defects. l Posterior dominance or posterior prevalence : more posteriorly expressed Hox genes tend to inhibit the action of the Hox genes normally expressed anterior to them. Developm

18、ental Biology - Spring 2007Slide 16文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。敲除或过表达敲除或过表达Hox 基因均可造成体轴模式建成的改变基因均可造成体轴模式建成的改变l Homeotic transformation: loss of Hox gene function results in the conversion of one body part into another. e.g., Hoxa8-/- mice, the first lumbar vertebra is transformed into a r

19、ib-bearing thoracic vertebra.l microRNA may be involved in post-transcriptional regulation of Hox gene expression.Developmental Biology - Spring 2007Slide 17文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。Hox基因缺陷导致肢体相应部位的缺失基因缺陷导致肢体相应部位的缺失Developmental Biology - Spring 2007Slide 18文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，

20、请联系网站或本人删除。人的多指症也可能人的多指症也可能与与Hox基因的异位基因的异位表达有关表达有关Developmental Biology - Spring 2007Slide 19文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。神经管的形成神经管的形成 神经管神经管(neural tube)是中枢神经是中枢神经系统的原基，其形成称为系统的原基，其形成称为neurulation。其其方式分方式分primary neurulation和和secondary neurulation两种。两种。 1. Primary neurulation: 由外胚层细胞增殖、内陷

21、并最终由外胚层细胞增殖、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。绝大多数脊椎动物前部神经管的形成采用此种方式。成采用此种方式。Developmental Biology - Spring 2007Slide 20文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。 神经管形成的起始：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

22、经褶。与神经板交接处凸起形成神经褶。Developmental Biology - Spring 2007Slide 21文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。 Primary neurulation的过程的过程神经管形成的扫描电镜图神经管形成的扫描电镜图Developmental Biology - Spring 2007Slide 22文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。 神经管与相邻外胚层细胞分离可能与细胞粘连分子有关神经管与相邻外胚层细胞分离可能与细胞粘连分子有关Developmental Biology

23、 - Spring 2007Slide 23文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。神经管沿神经管沿AP 轴线依次闭合轴线依次闭合，完成形成过，完成形成过程。程。 Developmental Biology - Spring 2007Slide 24文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。 人类胚胎的神经管闭合缺陷症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；第脑不发育，即致死性的无脑症；第5区不

24、封口导致脊柱裂口症。区不封口导致脊柱裂口症。 Sonic Hedgehog、Pax3等因子是神经管闭合所必需的。孕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。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。Developmental Biology - Spring 2007Slide 25文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。Secondary Neurulation 特点：外胚层特点：外胚层细胞下陷进入胚胎细胞下陷进入胚胎形成形成实心细胞索，实心细胞索，然后在细胞索中心然后在细胞索中心产生空洞形成中空产生空洞

25、形成中空的神经管。的神经管。 鸟类、哺乳类鸟类、哺乳类、两栖类动物胚胎、两栖类动物胚胎的后部神经管及鱼的后部神经管及鱼类胚胎的全部神经类胚胎的全部神经管的形成采取此种管的形成采取此种方式。方式。斑马鱼神经管的形成斑马鱼神经管的形成Developmental Biology - Spring 2007Slide 26文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。 Organizer mesoderm 诱导神经管的形成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两栖动物胚胎胚孔背唇诱导第二胚轴形成的作用叫做primary embryonic ind

26、uction神经神经诱导作用诱导作用Developmental Biology - Spring 2007Slide 27文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。组织者的作用及神经诱导：组织者的作用及神经诱导：genes in the organizerl A similar pattern of gene activity in the 2 animals, with homologous genes being expressed.l Goosecoid, is an early marker of the organizer that is expr

27、essed in the cells giving rise to foregut, pre-chordal plate and notochord; mimic almost all the properties of the organizer. Developmental Biology - Spring 2007Slide 28文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。外胚层被诱导形成神经板外胚层被诱导形成神经板l The nervous system is induced during gastrulation.l The ventral tiss

28、ue has not been determined at the time of transplantation, and the neural tissue is induced during gastrulation. Developmental Biology - Spring 2007Slide 29文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。中胚层发出的信号造成神经系统模式建成中胚层发出的信号造成神经系统模式建成l Induction of the nervous system by the mesoderm is region specificl

29、 Mesoderm from different positions along the dorsal A-P axis of early neurulas induces structures specific to its region of origin; anterior mesoderm induce a head and brain; posterior mesoderm induces a trunk and tailDevelopmental Biology - Spring 2007Slide 30文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。

30、Models of neural patterning by induction-two-signal modell One signal from the mesoderm first induces anterior tissue throughout the whole ectoderm. A second, graded, signal from the mesoderm then specifies more posterior regions; Qualitatively different induces are localized in the mesoderml Poster

31、iorizing signals: Wnt (frog, chick and Zebrafish), AVE (mouse)Developmental Biology - Spring 2007Slide 31文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。神经诱导作用的机制神经诱导作用的机制l 组织中心产生的信号分子组织中心产生的信号分子 (如如Chordin、Noggin、Follistatin) 可拮抗腹部化信可拮抗腹部化信号号 (如如BMP4)，从而使其附从而使其附近的外胚层细胞朝预置的神近的外胚层细胞朝预置的神经命运发育。经命运发育。l BMP4是最重要

32、的上皮分化是最重要的上皮分化和腹侧化诱导因子。对于神和腹侧化诱导因子。对于神经发生而言，它是抑制因子经发生而言，它是抑制因子或抗神经化因子。或抗神经化因子。Developmental Biology - Spring 2007Slide 32文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。四、神经元的分化神经元命运的确定神经元命运的确定lateral inhibition 跨膜蛋白跨膜蛋白Delta和和Notch的相互作用在神经元命运确定中起关的相互作用在神经元命运确定中起关键作用。二者互作后，键作用。二者互作后，Notch通过一系列反应抑制通过一系列反应抑制Ne

33、uroD和和Neurogenin的表达。的表达。Neurogenin是激活是激活Delta表达所必需的。表达所必需的。Developmental Biology - Spring 2007Slide 33文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。脊髓沿脊髓沿DV轴线的分化轴线的分化 脊髓沿背腹轴线的不同区域的细胞脊髓沿背腹轴线的不同区域的细胞有不同的发育命运有不同的发育命运.Developmental Biology - Spring 2007Slide 34文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。脊髓沿脊髓沿DV轴分化

34、的机制轴分化的机制 腹部命运：腹部命运：决定于来自脊索和决定于来自脊索和floor plate的信号。将脊索置于脊髓的侧面或背的信号。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部，其接触的脊髓部位将形成第二个floor plate, 附近分化出附近分化出motor neuron, 但背部但背部标志基因标志基因pax3和和pax7的表达受抑制。的表达受抑制。 腹腹部信号分子是部信号分子是Sonic Hedgehog，其不同其不同的浓度决定了不同的腹部命运的浓度决定了不同的腹部命运(高浓度诱导高浓度诱导motor neurons,而低浓度诱导而低浓度诱导 C. neurons)。 背

35、部命运：背部命运：决定于来自神经管形成中背决定于来自神经管形成中背部外胚层产生的部外胚层产生的BMP4和和BMP7,它们能够它们能够诱导脊髓背部细胞表达诱导脊髓背部细胞表达BMP4和和Dorsalin-1。 背、腹部信号分子间的互作提供了脊髓背、腹部信号分子间的互作提供了脊髓细胞分化的位置信息。细胞分化的位置信息。如将如将notochord去去除后，除后，Dorsalin的表达区就向腹部扩展。的表达区就向腹部扩展。SHH BMP4、BMP7 BMP4、BMP7 BMP4Dorsalin-1SHH Developmental Biology - Spring 2007Slide 35文档仅供参考

36、，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。后脑的分区后脑的分区 脊椎动物后脑一般都再分脊椎动物后脑一般都再分出多个出多个菱脑原节菱脑原节 (rhom-bomeres),每个菱脑原节是每个菱脑原节是一个发育单位，节内的细胞一个发育单位，节内的细胞可交换，而节间不能交换。可交换，而节间不能交换。 后脑产生控制面部和颈后脑产生控制面部和颈部的神经，其产生的神经嵴部的神经，其产生的神经嵴细胞分化出周边神经和面部细胞分化出周边神经和面部骨骼和结缔组织。骨骼和结缔组织。Developmental Biology - Spring 2007Slide 36文档仅供参考，不能作为科学依

37、据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。Hox基因在不同的基因在不同的后脑区域有不同的表达谱后脑区域有不同的表达谱Developmental Biology - Spring 2007Slide 37文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。Hox基因为在发育中的后脑基因为在发育中的后脑提供位置信息提供位置信息 在菱脑原节表达的转基在菱脑原节表达的转基因动物模型：因动物模型：Hoxb2的一个的一个增强子使增强子使lacZ在在r3和和r5中表中表达；而达；而Hoxb1的一个增强子的一个增强子使碱性磷酸酶在使碱性磷酸酶在r4表达。表达。Developm

38、ental Biology - Spring 2007Slide 38文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。Summaryl 体节是原肠运动后形成的由中胚层组织组成的块状结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。成，发育成脊椎骨、躯干肌肉和真皮。l 发育成体节的发育成体节的中胚层的区域性特性在体节形成前就已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经特化。体节的位置特性是由Hox复合物的基因沿前后复合物

39、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，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应。l Hox基因的突变或过量表达通常造成这个基因表达区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域前方的局部缺陷，可导致同源异型转换。Hox 基因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提供的位置信息能特化特定区域的特性及它随后的发育。Developmental Biology - Spring 2007Slide 39文档仅供参考，不能作为

40、科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。Summaryl 身体身体前后轴和背腹轴的模式建成，与原肠运动时组织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。对剩余部分的诱导是必需的。l 脊椎动物的神经系统源自神经板，在原肠运动时，由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外胚层和位于预定神经板外胚层下面的中胚层来源的

41、早期信号共同诱导而成。双信号模型可以部分解释神经板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。另一套可能为梯度的信号特化更多后方的结构。Developmental Biology - Spring 2007Slide 40文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。Summary to somites and early nervous systeml 原肠运动时，在囊胚形成时特化的三胚层沿前后轴和原肠运动时，在囊胚形成

42、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由四个Hox基因复合物中不同基因的组合表达编码的，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。它们为不同区域提供特性密码。l Hox基因在染色体上的位置与它们沿胚胎前后轴后脑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。之后的表达位置存在时空上的共线性的关系。Hox 基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体轴上的某“一节一节”向向“另一节另一

43、节”的同源异型转换的同源异型转换，表，表明这些基因对于特化胚胎区域的特性具有重要意义。明这些基因对于特化胚胎区域的特性具有重要意义。Developmental Biology - Spring 2007Slide 41文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。Summary to somites and early nervous systeml 原肠运动末期，基本身体图示已经确立，神经系统已原肠运动末期，基本身体图示已经确立，神经系统已被诱导。被诱导。l 神经系统的诱导和模式建成，需要早期外胚层和下面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神经嵴细胞的位置阈值都是由Hox基因的基因的表达确定的表达确定的。