一枚受精卵如何“变”成一只小鼠?


胚胎发育的过程就好比一场音乐会,不同的乐器(细胞)在特定的过程中发出不同的声音,共同完成一首完美协奏曲。


小鼠作为哺乳动物研究的模式动物,可用于帮助我们了解人类胚胎的发育。虽然小鼠胚胎发育的时间短于人类胚胎发育的时间,但小鼠与人的胚胎发育的过程非常相似,仍有很多可以类比的地方。那么小鼠出生前的命运是怎样的呢?


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图1.小鼠与人类胚胎发育对比(TS:Theiler Stage,CS:Carnegie stage)


卵裂

如果说受精是一个生命的开始,那么卵裂就是发育的第一步,合子经过2细胞、4细胞、8细胞、16细胞这种逐级分裂形成卵裂球。


2细胞期发生合子基因激活。8细胞期开始逐渐致密化,卵裂球变得扁平,彼此之间得接触增加,细胞的发育潜力逐渐被抑制开始分化(最早的分化事件),这一过程称桑葚形成。


16细胞时期时,最终导致两种截然不同的细胞系出现:内细胞团(ICM)和滋养外胚层(TE),排列在胚胎内的细胞产生ICM,而外层的细胞产生TE,形成小的囊胚腔,此时的囊胚腔很小不宜看见,为早期囊胚;直到晚期囊胚,可以看到明显完整的囊胚腔和内细胞团。当内部细胞团的一小部分发育为胚胎时,滋养外胚层将分化为胚胎的附加结构,如胎盘,它是母体为胚胎提供营养的通道。在这个阶段的胚胎称为胚泡。


到发育的第5天,胚泡从透明带中孵出,准备植入子宫壁,孵出过程在脱离子宫环境的体外也能发生。植入时,子宫腔增大,子宫壁紧密闭合,使子宫腔密闭,子宫上皮表面的变化使之接受胚泡附着。


合子基因激活

哺乳动物配子受精前,其基因组处于无转录活性状态。受精后,遗传物质融合并形成合子,进一步发育成新的个体。受精卵基因表达受合子基因激活(ZGA)调控,不同物种ZGA的发生时间不同。小鼠中ZGA开始于2细胞期,而人类则为4-8细胞期,在ZGA之前,胚胎依赖于蛋白质和卵母细胞发生期合成的mRNA。

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图3 小鼠胚胎发育从受精到原肠胚形成阶段模式图


原肠运动

在早期胚胎发育中,有一个非常重要的时刻--原肠运动,通过这个运动,体内所有细胞最终将走向特定的命运。原肠运动是胚胎剧烈的、高速有序的运动过程,通过细胞运动实现囊胚细胞的重新组合。原肠胚形成期间(受精6.5天开始形成),囊胚细胞彼此之间的位置发生变动,形成由三胚层细胞(即内胚层、中胚层和外胚层)构成的胚胎结构,这一过程又被称为“生殖层形成”。


内胚层会形成内生殖层,中胚层具有多能性,它将形成肌肉、结缔组织、血管、肾脏和其它参与分泌和渗透调节的器官、骨骼等。囊胚剩余的内皮外壁、外胚层能够形成外表皮、感觉器官和神经系统。


一般而言,原肠期标志着胚胎决定已不可逆,从此细胞将沿着各自的发育途径义无反顾的走下去。在出生的前几天,器官继续形成,胚胎的体积逐渐增大。从交配受精开始,受精卵一般需经19-20天的发育形成幼鼠。


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图4.小鼠从受精卵到出生前发育特征(详见http://www.emouseatlas.org/emap/ema/theiler_stages/StageDefinition/stagedefinition.html)


小贴士

人类胚胎发育分期

人类的胚胎期可分为23个Carnegie stages,Carnegie是美国一家历史研究所的名称,该研究所对这些发育阶段进行了分类。Carnegie stages是基于脊椎动物胚胎的外部和内部形态发育,而不是直接依赖于年龄或大小划分的。由于这一阶段适用于所有脊椎动物,而且大多数脊椎动物胚胎在胚胎期发育的方式基本相同,因此我们可以直接比较不同物种的发育时间。

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图5 小鼠、大鼠和人类胚胎发育Carnegie stages比较


小鼠胚胎发育分期

小鼠胚胎可以根据多种标准进行分期,其中最普遍的是泰勒在《The House Mouse: Atlas of Mouse Development》(Springer-Verlag, New York, 1989)中所描述的分期标准,也就是Theiler Stage。但是Theiler Stage过于宽泛,无法区分早期发育的许多重要阶段,因此常常辅以其他标准,如细胞数、体节数等。

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图6 小鼠各个Theiler Stage影像


我们今天简要介绍了小鼠胚胎发育的过程,但是新生命孕育的神奇之处在于,它不仅仅是一个受精和胚胎发育的过程来完成的,追溯源头,从原始生殖细胞的起源和迁移,到性别决定,再到精子以及卵母细胞的发生,无一不是新生命孕育的必备过程。不禁感叹大自然的奇妙,一个生命发生,下一个生命便已经开始孕育。


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参考资料及图片来源:

1. 安德拉斯·纳吉. 小鼠胚胎操作实验手册(原著第三版)[M]. 化学工业出版社,2006.

2. Takaoka K, Hamada H. Cellfate decisions and axis determination in the early mouse embryo [J]. Development, 2012, 139(1):3-14.

3. Theiler K . The House Mouse [M].Springer Berlin Heidelberg, 1989.

4. https://embryology.med.unsw.edu.au

5. http://www.emouseatlas.org/emap/home.html


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