1、第四章 原肠形成：重新组织胚胎的细胞,原肠形成(gastrulation)是高度结合的细胞和组织运动的过程，通过这个过程囊胚的细胞被剧烈地重排。 在原肠形成期间，囊胚细胞获得新的位置和邻居，有机体的多层结构的身体蓝图也建立起来了。那些将形成内胚层和中胚层器官的细胞被带到胚胎内部，而将形成皮肤和神经系统的细胞伸展到外表面。 外部的外胚层，内部的内胚层和二者间的中胚层在原肠形成期间首先产生。新定位的组织相互作用所需的舞台也建立起来了。,发育生物学,原肠形成作用的运动涉及整个胚胎，在胚胎一部分发生的细胞运动必须紧密地与同时发生的其它运动相协调. 虽然原肠形成中细胞运动形式多种多样，但主要有以下: 外
2、包(epiboly): 上皮片(表层细胞)的伸展和延伸,以包裹胚胎较深的细胞层; 内陷(invagination): 一个区域的细胞同时向内凹进; 内卷(involation): 正在扩展的外层细胞转向内运动,沿外层的内表面扩展 移入(ingression): 胚胎表层细胞单个地移入胚胎内部; 分层(delamination): 一层细胞分裂两层以上或不平行的细胞层,海胆的囊胚由一层1000到2000个细胞组成。起源于合子不同区域的这些细胞具有不同的大小和性质。 合子通过卵裂、囊胚和原肠形成到海胆特有的长腕幼虫(pluteus larva) 海胆原肠形成比较简单, 主要是植物极的细胞内陷(右图
3、)，内陷的部分形成原肠(archenteron), 外部边缘部分为胚孔(blastopore)胚孔两侧细胞内移形成中胚层间质细胞.,一. 海胆的原肠形成(Sea urchin gastrulation),Gastrulation in sea urchin,二、鱼类原肠形成过程,鱼类胚胎中最早的细胞运动是胚盘细胞沿卵黄四周下包. 初期胚盘内层细胞向外周迁移，插入表层细胞中.然后表层细胞沿卵黄表面下包，直到将卵黄全部包围起来(图7.7). 沿卵黄表面下包的表面细胞层称为包被层(enveloping layer, EVL)。包被层细胞的下包运动由卵黄合胞体层(yolk syncytial laye
4、r, YSL)自动扩展引起。卵黄合胞体层是位于胚盘下面卵黄表面含有多个细胞核的一层细胞质层。 包被层和卵黄合胞体层紧密相连，卵黄合胞体层的自动扩展拉动与之相连的包被层细胞向下移动。随着下包运动的进行,卵黄合胞体层和包被层之间产生的空隙由胚盘深层细胞所填充. 卵黄合胞体层的扩展受其中的微管系统控制,用辐射或药物处理阻断微管聚合就能抑制下包.,当胚盘细胞包绕一半卵黄时,包被层四周边缘区开始加厚成胚环(germ ring) ,它由外层上胚层(epiblast)和内层下胚层(hypoblast)构成。 有人认为下胚层是边缘表层细胞向里面内卷继之后向动物极迁移形成的(图7.8)。也有人认为下胚层由细胞内
5、移形成。很可能两种机制都在发生作用。 下胚层形成后,上胚层和下胚层的深层细胞都会向将来发育成为胚胎背部一侧插入,形成一个加厚的区域,称为胚盾(embryonic shield) 胚盾在功能上相当于两栖类的背唇, 如果将它移植到宿主胚胎上,能够诱导形成次级胚轴。,当细胞沿卵黄下包时,它们也在边缘内卷,并朝背部和前端两个方向向胚盾集中。 胚盾下胚层细胞向前端集中和延伸,最终沿背中线变成一窄条,它就是脊索中胚层(chordamesoderm)。与脊索中胚层毗连的细胞为近轴细胞(adaxial cells)，是中胚层体节的前体。上胚层细胞通过集中和延伸将脑细胞集中在背中线上，并形成神经龙骨(neura
6、l keel)；其余的上胚层细胞发育成鱼类的皮肤.,鱼类原肠形成,蛙胚原肠形成从将来的背侧开始，刚好在赤道下面的灰色新月区(gray crescent)。此处局部内胚层细胞内陷形成裂缝样胚孔，内陷的细胞因其形状被称为瓶状细胞(bottle cells)。和海胆一样, 两栖类原肠形成是从细胞内陷开始的; 不同的是海胆从植物极开始, 两栖类从靠近赤道的边缘带(marginal zone)开始, 这里的内胚层细胞不象植物极卵裂球那样大和富含卵黄。 原肠形成涉及边缘带细胞内陷，而此时动物极细胞外包并向胚孔集中。当移动的边缘带细胞到达胚孔时，它们转向内侧并沿外部细胞片的内表面移动。因此组成胚孔的细胞一直
7、在变化：首先卷入的是前肠的咽部细胞，然后是头部中胚层细胞，再是脊索中胚层细胞，它将来形成脊索(notochord), 由它起始神经系统的分化.,三. 两栖类的原肠形成,胚孔先形成背唇，然后是侧唇，最后是腹唇。此时形成圆形的胚孔。胚孔包围的含卵黄的内胚层细胞称为卵黄栓(yolk plug).由于新细胞不断卷入，囊胚腔逐渐变小，最终被原肠腔代替.最后外胚层下包整个胚胎，内胚层被带到内部，中胚层位于二者之间.至此完成原肠形成.,两栖类原肠作用过程的细胞运动 胚孔内陷的机制:细胞外表面剧烈收缩,而内表面则扩张,形成瓶状.瓶状细胞对原肠作用早期的细胞运动起主要作用.,四、鸟类的原肠形成(Gastrula
8、tion in birds),鸟类卵裂产生了在巨大体积卵黄上的胚盘, 这个卵黄团对细胞的运动产生强大的牵制力。胚盘中央细胞由于胚盘下腔与卵黄分离，形成明区；其边缘的细胞含卵黄不透明称暗区。胚盘表面的细胞形成上胚层(epiblast), 一些细胞单个的移到胚盘下腔与胚盘后部边缘的一片细胞汇合形成下胚层(hypoblast)。两胚层间的腔为囊胚腔.,鸟类原肠形成的主要结构是原条(primary streak)，它首先是明区后部的上胚层细胞向中央运动而增厚, 此后原条变窄并向前运动集中形成定型原条。其作用类似两栖类的胚孔，原条前边局部细胞增厚为原结(primary knot)，中央呈漏斗样下陷, 移
9、动的细胞通过它进入囊胚腔, 其功能类似两栖类的胚孔背唇。 从原结首先进入囊胚腔的细胞向前移动，形成头部的中胚层和脊索；那些通过原条侧部进入的细胞形成大部分内胚层和中胚层的组织。鸟类中胚层细胞以单个的方式进入胚内，产生松散的间质. 另鸟类的原肠形成中没有真正的原肠结构形成. 随着细胞进入原条，原条向未来的头部区域伸长。同时，次级下胚层细胞继续从胚盘后部边缘向前移动。,第一批通过原条进入囊胚腔的细胞是形成前肠的细胞，它们向前移动置换胚胎前边的下胚层细胞。第二批通过原结进入囊胚腔的细胞也向前移动, 但没有象内胚层细胞移动的那么远, 它们形成头部中胚层和脊索的细胞。这些早期进入的细胞都向前移动推动上胚
10、层中区形成头突。继续进入的细胞形成两条细胞流：深层集中到下胚层中线形成胚胎的大部分内胚层器官和胚外的膜；浅层细胞流为松散的片，形成胚胎的中胚层和胚外膜。 在孵化22小时大部分预定内胚层细胞位于胚胎内部，中胚层细胞仍继续向内移动很长时间。,当中胚层继续进入时，原条开始退缩，而脊索开始向后延伸，最后原结退到最后边，形成动物的肛区。此时上胚层完全由外胚层组成。,鸡胚原肠作用立体图解,五、哺乳动物的原肠形成 (Gastrulation in mammals),哺乳动物的原肠形成保留了鸟类的特点, 尽管它们缺少大量卵黄。其内细胞团可设想为卵黄球顶端的胚盘。 哺乳动物胚胎通过胎盘(placenta)实现从
11、母体获取营养支持发育. 早期哺乳动物的发育如下图示:内细胞团第一次细胞分离形成下胚层, 衬在囊胚腔内形成卵黄囊内胚层(yolk sac endoderm); (尽管其中已没有卵黄)。其余内细胞团细胞现被称为上胚层, 此后它分离为胚胎上胚层和羊膜外胚层.胚胎上胚层通过细胞局部增厚形成原条, 通过原条进入的细胞形成胚胎所有细胞。羊膜外胚层参与羊膜的形成。,人胚胎的组织形成,人和猴胚胎组织示意图,当上胚层经历类似鸟类的原肠形成的同时，胚外细胞正在构筑哺乳动物特有的胎盘。最初滋养层细胞构成单一类型的一层结构称为细胞滋养层(cytotrophoblast)，而多核类型的细胞构成合胞滋养层(syncyto
12、trophoblast). 细胞滋养层通过一系列黏连分子贴附于子宫壁, 内含的蛋白水解酶使滋养层细胞进入子宫并改造子宫的血管, 使胎儿血管浸泡在母体血管中。合胞滋养层消化子宫衬里, 将胚胎包埋在子宫中。 此后中胚层组织从原肠形成的胚胎中向外伸展, 它们与滋养层结合产生血管，从母体携带营养到胎儿。胚胎和滋养层相连的胚外中胚层形成脐带。由滋养层组织和富含血管的中胚层组成绒毛膜 (或浆膜，chorion), 它与子宫壁愈合形成胎盘. 根据胎儿部分与母体子宫壁结合的程度，胎盘分为接触型胎盘(contact placenta)和脱落型胎盘(deciduous placenta)。,从绒毛膜外表面伸出许多
13、微绒毛。微绒毛含有血管，且扩大了绒毛膜与母体血管接触的面积。可溶性物质很容易通过绒毛膜扩散。母体与胚儿易进行物质交换。 如下图示: 由胚外中胚层形成的微绒毛血管进入细胞滋养层形成初级绒毛(primary villus); 在妊娠2周, 随着胚外中胚层进一步侵入产生的结构为次级绒毛(secondary villus); 一旦胚外中胚层中形成血管, 则为三级 绒毛(tertiary villus)，能携带营养和氧气从母体到胎儿。,绒毛膜的合胞体滋养层可产生3种激素：(1)绒毛膜促性腺素(肽类激素)，可使胚盘(及母体卵巢)产生孕酮(2)，后者使子宫壁增厚并布满血管，(3)绒毛膜催乳素，能促进乳房发育
14、泌乳. 绒毛膜还可保护胚儿免受母体免疫系统的伤害.能分泌阻止抗原产生的可溶性蛋白，能促进抑制子宫内正常免疫反应的淋巴细胞的产生。细胞滋养层也包含一种胚盘特有的组织相溶性抗原，可保护胚胎不被母体免疫系统认出.,原肠形成使囊胚的细胞经过形态发生运动并经历了细胞分化,形成外面包围胚胎的外胚层, 内部的内胚层和位于二者之间的中胚层, 三胚层的分化为器官原基的发生奠定了基础。 原肠胚的外、中和内三个胚层将来分化形成的组织和器官： 1. 外胚层 形成神经系统、视网膜、虹膜肌和晶状体、内耳上皮、皮肤的表皮及毛发、羽、鳞、甲和皮肤腺等皮肤的衍生物. 2. 中胚层 形成肌肉、骨骼、软骨、结缔组织、脂肪组织、真皮、循环系统、泄殖系统、气管和消化道的管壁（上皮除外）、体腔膜及系膜等. 3. 内胚层 形成消化道和呼吸道的上皮、肺、肝、胰及咽部衍生的腺体，如甲状腺及胸腺等，以及泌尿系统膀胱的大部分、尿道和附属腺体的上皮等.,五、胚层的分化(Differentiation of the germ layers),
