动物胚胎发育过程中的神经外胚层区域划分机制

  • R惠生活
  • 2020-06-19
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大部分两侧对称动物的成体内,都具有特化的前端神经节集中,以及其后伴随的中枢神经管,形成中枢神经系统(central nervous system, CNS),并连结全身的周围神经系统(peripheral nervous system, PNS),以构成完整的神经网络。这个网路将外部自受体进入的讯息加以处理,之后产生反应及动作。特化的神经细胞使得动物得以不同的行为与动态生存在这个星球,而中心极化/集中的中枢神经系统让神经网路能够处里的讯息及反应更加複杂化。

相对于演化早期分支出来的海绵、刺丝胞(Cnidaria)、栉板动物,两侧对称生物(Bilateralia,包含原口动物和后口动物,Deuterostomata)(图一)都具有极化的中枢神经,因此中枢神经系统被认为是所有两侧对称生物的共同祖先的重要特徵之一。

动物胚胎发育过程中的神经外胚层区域划分机制

图一 动物演化分类树。 红色圆圈由左而右标示果蝇、沙蚕、爪蟾。其中果蝇和沙蚕分别代表原口动物里的两大分支:蜕皮动物(Ecdysozoa)以及担轮动物(Lophotrochozoa)。爪蟾则为后口动物(Deuterostomata)中脊索动物门(Chordate)的代表。原口动物和后口动物皆为两侧对称动物,其共同祖先位于红色箭头所指的演化分支点上。(Mizutani & Bier, 2008)。

由于同一类生物的胚胎发育过程会保留部分祖先的特徵或构造(例如脊索动物胚胎的脊索),造成此构造发育的分子调控机制也会被完整、或大部分地保留下来。因此,探讨并比较不同动物器官系统发育过程中的分子调控机制,将有助于科学家们回答:此特徵或构造在发育过程中的分子调控机制在不同物种间是否相同?其调控方式不相同的分子机制是否确实造成发育性状的不同?进而解释这样的构造是如何演化出来的?以及对于动物的适应有何帮助?这即是演化发育生物学家(Evolutionary developmental biology, Evo-Devo)所探讨的方向。

两侧对称动物的受精卵,经过初步的卵裂、囊胚期之后,在原肠化以及其后的神经胚过程中,胚胎细胞会逐渐分层。依照相对位置,科学家将其定义为外胚层、中胚层、以及内胚层。内胚层细胞主要会分化为消化道;部分中胚层会分化出肌肉以及内脏;外胚层则主要分化成表皮以及神经细胞。胚胎里所有的细胞命运,在分层到不同位置之前就已经大致上被决定下来。藉由不同的分子调控机制,胚层与胚层的命运被分离。而后相同胚层来源的细胞群又经过不同的调控机制,分化出不同区块。区块内的细胞再分化为不同功能的小单位。如此层层调控,最终发育成熟为複杂的动物成体。

神经外胚层的分化方向也是依照上述层层调控的方式完成。以两种研究最为透彻的模式生物:果蝇(Drosophila)与非洲爪蟾(Xenopus)为例。在体制上,两者中枢神经在身体的相对位置是完全相反的:果蝇具有腹神经索,而爪蟾的中枢神经就如同脊椎动物人类的脊神经位于背侧。想要确认这个功能相似,但型态不完全相同的构造是否在演化上同源,就必须探讨其发育过程中的分子调控机制。

动物胚胎发育过程中的神经外胚层区域划分机制

图二 果蝇(Drosophila)与爪蟾(Xenopus)神经引导(neural induction)时期基因表现示意图。此为胚胎横剖面图,背部在上,腹部在下。Sog与Chordin(Chd)表现的外胚层细胞被引导为神经外胚层(粉红色区域细胞),而以Dpp和Bmp为主的其余基因则参与非神经外胚层(绿色区域细胞)的分化。(De Robertis & Kuroda, 2004)。

果蝇胚胎外胚层形成后,藉由表现在腹部的 Sog 基因,以及背部的 Dpp 基因相互结抗,引导神经外胚层在 Sog 基因表现的区域分化出来,而非神经外胚层(表皮细胞等)则在 Dpp 表现区域分化。此一过程称为神经引导(neural induction)(图二)。接着,MSHINDVND 三个基因在神经外胚层背部至腹部的三个纵向的条状区块表现,表现不同基因的细胞未来将分化成不同的神经细胞。此过程称为神经区块化(neural patterning)(图三)。另一方面,爪蟾的神经引导过程,背部神经外胚层表现的 Chordin 与腹部表现的 BMP 基因拮抗,表现 Chordin 的外胚层之后会分化为神经外胚层(图二)。

动物胚胎发育过程中的神经外胚层区域划分机制

图三 MSH、IND、VND基因于果蝇神经区块化时期的表现位置以及果蝇与爪蟾神经区块化时期基因表现示意图。上图为果蝇胚胎侧面观,背部在上,腹部在下。不同区块表现的基因将神经外胚层由上而下分为三个纵向的带状区域。左下侧为果蝇胚胎横剖面图,右下侧为爪蟾背神经管横剖面图,背部在上,腹部在下。相同底色标示基因彼此同源。(Mizutani & Bier, 2008)。

接着在神经胚时期,爪蟾的背神经管由背到腹方向会表现:MsxGsh/Pax6、Nkx 等基因,将神经外胚层区块化(图三)。

由于果蝇的 Dpp、Sog、MSH、IND、VND 基因分别与爪蟾的 BMP、Chordin、Msx、Gsh/Pax6、Nkx 基因具有同源关係,因此可以归纳出这两种动物的神经外胚层的发育在演化上是同源构造。此一神经外胚层发育的同源关係不仅在原口动物中节肢动物门的果蝇、与后口动物中脊索动物门的爪蟾中发现,也同样在原口动物中环节动物门的沙蚕(Platynereis dumerilii)被发现(图四)。由发育时的特徵在演化过程中被保留,我们可以推测:两侧对称生物的共同祖先(图一),其神经外胚层很可能是以这两组基因引导并区块化,使未分化的胚胎神经细胞发育、分化出成体体内不同种类的神经细胞。

动物胚胎发育过程中的神经外胚层区域划分机制

图四 果蝇、爪蟾、沙蚕神经外胚层区块化时期基因表现示意图。此图标示简化的背部(上)至腹部(下)的神经外胚层相关基因表现位置。由左而右分别为:果蝇、爪蟾、沙蚕神经外胚层。相同底色标示基因彼此同源。不同神经细胞:感觉神经(白色方框)、运动神经(黑色圆圈)、血清素分泌神经(白色倒三角形),会分别在不同基因表现的位置发育,显示区域化的结果促进不同神经细胞在身体不同位置分化。(Denes et al., 2007; Mizutani & Bier, 2008)。

演化发育生物学不仅提供生物演化的历史脉络,也解释了基因调控模式对性状改变的影响,以及性状改变对环境适应的差异性解释。此学门囊括了细胞学、发育生物学、演化生物学、生物资讯等各大生物学门的背景知识,为近十年来生物学界兴起的热门探讨方向。


参考文献