发育生物学第十二章 脊椎动物中枢神经系统和体节形成机制

神经组织在最初被诱导形成时，整个神经板细胞
都只表达“前部”神经特异性基因。
在原肠作用过程中，由后部中胚层产生的后部化 因子（posteriorizing factor, 包括 Wnt, FGF, 视 黄酸（retinoic acid,RA）等诱导后部神经命运的 分化。
脊椎动物中枢神经系统前后轴的图式形成
的未分化状态可能具有重要的作用。FGF表达水
平的降低是前部PSM细胞进入成熟程序所需的。 • FGF对于决定PSM中体节形成的前沿位臵具有重 要的作用。
峡部组织者形成的分子机制 b
• 菱脑节在神经管闭合后，后脑沿前-后轴逐渐被划 为8节，称为菱脑节（rhombomere） 。后脑是 CNS中唯一在发育过程中出现分节现象的部分。 • 菱脑节是暂时性结构，到发育后期会逐渐消失。
• Hox基因在后脑沿前后轴的分化过程中起关键的
作用。
后脑分节与图式形成的机制
第十二章
脊椎动物中枢神经系统 和体节形成机制
第一节 脊椎动物中枢神经系统的图式形成
脊椎动物的神经系统是由外胚层分化而来，
由Spemann组织者产生的BMP抑制因子诱导而
成。一旦预定神经组织与表皮组织分化开来，
接下来要经过图式形成确定神经板不同位臵
的区域特性。
一 中枢神经系统的前-后轴图式形成
脊椎动物的中枢神经系 统是由神经板发育而来 的。神经板随后沿前-后 轴卷为管状，形成神经 管。神经管前部扩展、 膨大形成前脑、中脑和 后脑的原基，而后部的 神经管发育为脊髓。
box（bHLH因子结合位点）。
• RBP-J结合位点的突变会使得Lfng在PSM中的表达显 著降低而且不会出现周期性表达。两个bHLH因子结 合位点的突变同样会阻断Lfng的周期性表达。 • 而在hes7失活的情况下Lfng在PSM中持续过量表达 而不存在周期性变化。这些实验说明hes7可能通过 Lfng启动子序列中的结合位点而抑制其表达。
• C-hairy1表达的周期性变化完全是细胞自主 性的，而不是由于细胞的迁移或是PSM后部 产生的某种分泌性因子向前扩散引起的。 • 随后人们在鸡，小鼠和斑马鱼中又陆续发现 了一些类似的周期性表达基因：它们大部分 都与Notch信号途径有关，包括一些与hairy1 相关的Notch信号途径的靶基因，如鸡的 hairy2，hey2，小鼠的hes1 ，hes5，hes7 和 hes2。
的一个Wnt 蛋白。
• Xwnt8 的过表达产生了无头的胚胎，没有 脊索，比正常的胚胎有更多的肌肉，而大 量反义Xwnt8 基因表达的胚胎则是大头和 增大的脊索，但几乎没有肌肉。 • 这确证了Wnt 蛋白使胚胎体轴腹侧化和后 端化，并且最前端的背侧结构的确需要阻 断Wnt 信号。
在CNS随后的图式形成过程中，同样存在着一些 组织中心，这些特化的细胞群会产生一些分泌性 的信号因子，调节其周围细胞的分化命运。
• 体节是临时性结构，对脊椎动物分节模式 （segmental pattern）的建成具有深远的影响。
脊椎动物体节形成有以下特征：
• A）体节以出芽的方式从前到后依次形成。 • B）每一个体节形成的周期是固定不变的，称为 分节钟（segmentation clock）。 • C） 体节形成的时间和位臵受到严格的调控。体 节形成后便具备了前后区域的分化和前后轴特异
• Lfng基因的表达可能受到Notch信号的正调控和hes7 或其他hairy相关bHLH因子的周期性负调控，从而使
得基因呈现周期性表达的特点。
三
分节钟的分子机制：负反馈调节环路
Hes1/Hes7和Lfng周期性表达的调控模型
四 FGF信号与体节形成
• FGF在ห้องสมุดไป่ตู้胚后部PSM中有很强的表达，由后向前 形成一个浓度梯度。FGF对于维持后部PSM细胞
在神经板期，IsO 的位臵最初是有两个转录因子 Otx2 和Gbx2 在CNS中的表达界限所决定的。 Otx2 在前脑与中脑中表达，而Gbx2 在后脑前部 表达，二者之间的位臵恰好是IsO 的位臵。它们 的表达是相互抑制的，从而确立二者之间的表达 界限。
脊椎动物中枢神经系统前后轴的图式形成
转录因子Engrailed (En) 和Pax2 随后也在IsO前
• Lunatic fringe (Lfng )也是Notch信号途径的靶基因 基因之一，编码一种糖基转移酶，在小鼠和鸡胚中 都存在周期性表达。Lfng的失活或持续表达都会引 起体节发育异常。
• 这些基因的周期性动态表达对于体节的形成至关重 要。
二
周期性表达基因的转录调控
小鼠Lfng基因启动子中含有一个CBF1/RBP-J （Notch信号的转录效应因子）的结合位点，表明 它直接受到Notch信号的调控；同时还含有2个E-
峡部（isthmus）是位于中脑与后脑交界处的狭窄部。峡 部在中后脑的前-后轴图式形成中起着重要作用。
前神经褶（anterior neural ridge, ANR），表达FGF8，对
前脑的图式形成具有重要作用。
峡部
图式化信号分子在脑区的表达
在移植实验表明：峡部组织可诱导预定间 脑组织形成中脑，也可诱导预定前部中脑 组织形成后脑。 说明这部分组织具有很强的诱导能力，可 以“组织”周围细胞的图式形成，被称为 峡部组织者（isthmic organizer, IsO）。
性。
一 周期性表达基因
研究发现，c-hairy1基因在鸡胚前体节中胚层中周期 性表达。 c-hairy1最初在PSM的后部和尾芽区广泛表达，随着 前部预定体节的成熟，c-hairy1的表达逐步向PSM前
部推进并固定于新形成的体节的后半部分。其表达变
化周期为90min，与其体节形成周期恰好一致。
hairy1编码一个碱性HLH转录抑制因子，是Notch信号途径 的靶基因之一。
BMP在脊髓最背部的顶板（roof plate）及其上方 的外胚层组织中表达，而Shh在脊髓腹侧的基板 （floor plate）及其下方的脊索中表达。
两种分泌性因子形成两个相反的浓度梯度，调节图 式化基因的表达。不同的区域表达不同的图式化基 因产物组合，从而确立了不同背腹轴位臵神经细胞
的分化命运。
小鼠Hox基因簇结构及其在胚胎中的表达特性
二 脊髓背-腹轴的图示形成
脊椎动物的脊髓具有明确的背-腹轴，在不同的背
-腹轴位臵所产生的神经元类型是不同的。
在鸡和小鼠中，脊髓背部区域依次产生6种中间神
经元（dorsal interneuron，dI1-dI6），腹部则形
成运动神经元和4种腹侧神经元（ventral interneuron，V0-V3）。 BMP和 Sonic hedgehog(Shh) 信号在脊髓的背腹轴 分化过程中起着重要作用。
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。
随着四肢和腹部肌肉细胞前体的迁出，生骨节、生肌 节和生皮节形成。
• 脊椎动物体节是由前体节中胚层（presomitic
mesoderm，PSM）形成的。体节的形成是一个细 胞增殖与分化周期性进行的过程。
• Wnt活性可能沿胚胎前-后轴形成一个由后 到前的梯度，促进后部特异性神经组织的 分化。 • 而在头部Wnt信号被Spemann组织者产生的 抑制因子（Dickkopfl, FrzB1等）所抑制， 使得脑部组织得以分化。
Wnt 信号在前后神经轴模式
化中起作用的一个线索来自 于Xwnt8 的表达调控： Xwnt8在爪蟾原肠胚整个边 缘区（未来的中胚层）表达
原神经基因的表达与神经细胞分化
第二节 脊椎动物体节形成的机制
• 脊椎动物的轴旁中胚层组织在发育早期形成一系 列重复的分节单位，称为体节（somite）。
• 体节位于脊索和神经管两侧，沿胚胎前-后轴左右 对称分布。每一体节单位后来分化为3个区域，即 生皮节（dermatome）、生肌节（myotome）、 和生骨节（sclerotome），之后它们分别发育成为 真皮（dermis）、骨骼肌和中轴骨骼。
后表达。En和 Gbx2 可诱导FGF8 的表达，而 Otx2 抑制FGF8 的表达。这样，FGF8 就只在IsO 后部后脑一侧表达。 FGF8 进而可诱导邻近的中 脑细胞表达Wnt1。
En， Wnt1， FGF8 和Gbx2 的表达通过正反馈 相互作用维持彼此的表达。
峡部组织者形成的分子机制 a
脊椎动物脊髓背腹轴的图式形成
脊索还表达分泌性的BMP抑制因子（Chordin，
Noggin），这些因子会抑制脊髓腹侧的
BMP活性而调节神经管的图示形成。
Wnt信号对于某些背部神经细胞群的分化也具
有重要作用。
原神经基因（proneural gene）沿脊髓背腹轴 在不同区域表达，其功能 ：
1、抑制其周围细胞向神经元的分化 2、促进细胞向神经元方向分化而抑制其分化为神经 胶质细胞 3、调节细胞周期