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胚胎誘導作用

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在有機體的發育過程中,一個區域的組織與另一個區域的組織相互作用,引起后一種組織分化方向上的變化的過程稱為胚胎誘導作用。

1 胚胎誘導作用 -胚胎誘導作用

 

2 胚胎誘導作用 -正文

  在胚胎髮育中,一部分細胞在一定時期對其鄰近的另一部分細胞產生影響,決定後者分化方向的作用。誘導作用普遍存在於胚胎髮育時期的器官分化過程中。1912年H.施佩曼最早發現兩棲類發育中的眼泡能誘導覆蓋著它的表皮形成晶體,更為重要的是他還發現胚孔的背唇,不僅自身發育為脊索肌肉等中胚層結構,並且能誘導覆蓋在它上面的外胚層形成神經板。H.施佩曼稱背唇為組織者。胚胎的中軸器官是它和在它作用下產生的神經管組成的。這一發現為實驗胚胎學開創了一個新的時代,推動了對發育機制的分析。嗣後的研究發現兩棲類以外的其他脊椎動物,以至脊索動物都有這一現象。無脊椎動物也有類似現象如海膽幼蟲的臂是在鄰近初級間質細胞的影響下形成的。
  脊椎動物早期發育的誘導作用  兩棲類原腸形成過程(見形態發生運動)開始時,背唇在植物性半球的背部出現,預定脊索中胚層從這裡捲入內部。捲入的細胞與覆蓋在外面的背部外胚層細胞接觸,後者形成神經板,其他位於側腹方的外胚層細胞形成表皮。為了探究為什麼同樣的外胚層細胞一部分形成神經板,另一部分卻形成表皮,1924年H.施佩曼和H.曼戈爾德把蠑螈原腸胚早期的背唇移植到另一同期胚胎的腹面。移植的部分不僅象在原來位置一樣繼續內卷,而且使宿主胚胎的腹方產生出一個次級胚胎(圖1)。組織學的檢查證明,移植的背唇本身繼續分化,並且影響附近的宿主的原來不應分化為脊索和肌節的細胞分化為脊索和肌節。它還可以影響宿主腹方的、原來應形成表皮的細胞分化為神經管。這一實驗是用兩種色澤不同的卵子進行的,因此可以清楚地辨別哪些是宿主的細胞,哪些是移植的細胞(圖1d)。背唇的物質影響宿主腹方的組織,改變其發育方向的作用是誘導作用,它說明,在正常發育中,卷進內部的脊索中胚層誘導其上面的一部分外胚層,使之分化為神經組織,而沒有受到誘導作用的部分則分化為表皮。

胚胎誘導作用胚胎誘導作用

  脊索中胚層的這種誘導作用,在脊椎動物中具有普遍性。在鳥類,把原結移植到另一胚胎的上胚層和下胚層之間,也可以誘導形成次級胚胎(圖2)。  誘導物質的性質  在發現兩棲類的胚孔背唇具有誘導能力之後,很快發現誘導能力不限於活的組織,用各種不同方法處理過的死組織也有這種能力,不但胚胎的組織具有誘導能力,成體組織也是很好的誘導者。這就提示誘導作用是化學物質引起的。進一步的實驗指出,幾乎所有檢測過的成體動物組織,從低等無脊椎動物到高等哺乳類的,包括人類的,不論是處理過的,或者是新鮮的,都或強或弱地具有誘導作用,而且,有些還具有一定的組織或區域專一性。有些組織傾向於從外胚層誘導出神經組織,如豚鼠和豬的肝臟主要誘導出屬於前腦的結構、腎臟主要誘導出後腦、軀幹和尾部結構,還有一些如豚鼠骨髓則能誘導外胚層產生脊索、肌肉等中胚層結構,後來發現骨髓還能誘導形成內胚層結構,如腸或咽等。
  提取化學誘導物質的工作,雖然做了相當努力,但沒有取得預期的進展。從豚鼠骨髓、雞胚和豬肝都分別得到了還不太純的或有一定純度的蛋白質,它們都能誘導外胚層產生中胚層結構,稱中胚層誘導物質。誘導產生神經組織的物質稱神經誘導物質,它更難分離純化,在雞胚的抽提物中發現大部分具有神經誘導能力的物質常和核糖核酸一起洗脫下來。這種物質的誘導能力用胰酶處理后即行消滅,而不受核糖核酸酶處理的影響,說明具有誘導作用的物質是蛋白質。
  誘導作用的方式  懸滴培養實驗直接證明了背唇細胞是以釋放誘導物質來影響周圍細胞的。將外胚層小塊培養在曾經培養過脊索中胚層的培養液懸滴中,外胚層將分化為神經細胞和色素細胞。但是,外胚層在未曾培養過中胚層的懸滴中,只能形成排列紊亂的表皮細胞。可見,中胚層細胞在懸滴中釋放了某種物質,誘導外胚層分化為神經細胞。
  用各種薄膜將誘導細胞和反應細胞隔開的實驗,也為說明這個問題提供了資料。在胚孔背唇和預定外胚層之間放置不同孔徑的濾片,在孔徑為0.1微米時細胞之間不能通過微孔直接接觸,神經板照樣能夠形成。說明在神經板的誘導中,不需要細胞間的接觸。但在晚期發育的誘導作用中並不一定如此。如象在小鼠后腎小管的誘導中,如果用濾片把將形成后腎的間質細胞和后腎小管的誘導者分隔開,如果孔徑小到細胞突起不能通過孔洞,分化就不能發生,說明細胞接觸是必不可少的。所以,誘導物質的傳遞是一個複雜的問題,在不同的誘導系統中,誘導的方式可能完全不同。
  反應細胞的反應  研究誘導作用更重要的一個方面,是對反應細胞的研究。因為,歸根到底,發生變化的是起反應的細胞。雖然反應細胞受到不同的誘導刺激,反應不同。同樣的外胚層受到神經誘導物質作用的會產生神經組織,而中胚層誘導物質可以使它們產生脊索、肌肉等結構。但是處於不同時期的外胚層細胞,從原腸早期的到原腸晚期的,對同一刺激的反應是不同的,越晚反應能力越弱。其次,儘管反應細胞產生哪種結構決定於誘導物質,但所產生結構的種屬特點卻決定於反應細胞本身的遺傳性。如果在蠑螈胚胎平衡器的區域移植一塊美西螈胚胎的外胚層,由於美西螈幼蟲沒有平衡器,所以移植的外胚層不會產生平衡器。在這方面,有尾類和無尾類胚胎之間的移植,得到的結果更加明顯。把蠑螈的外胚層移植到鈴蛙的口區,會產生蠑螈胚胎所持有的平衡器。同樣,鈴蛙的外胚層移植到蠑螈口區,也將按照鈴蛙的遺傳特性,發育出角質齒和吸盤。
  可見,對誘導物質起反應並決定以後的發育方向的是反應細胞本身。最後,也是最重要的一個方面,反應細胞一旦受刺激,開始向某一方向分化。即使此後誘導刺激不復存在,分化照樣進行。外胚層在離體情況下用中胚層誘導物質處理一定時間,然後換到正常培養液中繼續培養,可以產生脊索、肌肉等結構。這就說明所發生的分化是持續的、不可逆的,說明誘導刺激在反應細胞中一旦引起了某些基因的表達,就會按固有的程序進行下去。
  次級誘導和三級誘導  前述脊索中胚層對神經系統的誘導作用,為而後器官的形成奠定了胚胎髮育的基礎,所以稱之為初級誘導。以後在這個基礎上的器官發育,也離不開誘導作用。眼睛的發育就是一個例子(圖3、圖4)。發育中的前腦向左右兩側各長出一個泡狀突起,稱為眼泡。眼泡的外側向內凹陷形成雙層的杯狀結構,即眼杯,將來分別產生色素層和視網膜的感覺層。覆蓋眼泡的表皮的內層加厚並向內凹陷成杯形,最後脫離表皮的外層形成晶體囊,逐漸分化成晶體。改變眼泡和表皮正常關係的實驗都證明,晶體是在眼泡的誘導作用下形成的:①在眼泡和頭部表皮接觸以前,割除眼泡,在某些動物中不能形成晶體。②割除預定晶體表皮,代之以身體其他部位還能起反應的表皮,移植的表皮和眼泡接觸之後會形成晶體。③在適當時期將眼泡移植到身體其他部位的表皮之下,異位表皮也會形成晶體。眼泡誘導鄰近的表皮形成晶體,稱為次級誘導。晶體又影響覆蓋在它上面的表皮,使之透明,形成角膜,稱為三級誘導。在各級誘導中,同一結構可以既是起誘導作用的,又是起反應的部分。在晶體的誘導中,眼泡是起誘導作用的,產生晶體的表皮是反應的部分,在角膜的誘導中,晶體又成了起誘導作用的部分。這種分級當然是人為的,但可以說明,胚胎髮育是一步一步地通過細胞間的誘導作用和相互影響完成的。圖5說明有尾兩棲類胚胎頭部的各種器官是怎樣通過各級誘導作用產生出來的。

胚胎誘導作用胚胎誘導作用
 
胚胎誘導作用胚胎誘導作用
 
胚胎誘導作用胚胎誘導作用

  晚期發育的誘導作用  誘導作用不僅在早期發育中有重要的意義,某些在較晚的發育階段才形成的結構,例如鳥類的羽毛、鱗片等上皮的衍生物,也是通過誘導作用產生的(見細胞分化)。移植實驗指出:同一塊胚胎上皮,移到胚胎的翅膀上產生羽毛,移植到腿上產生鱗片;移植部位的中胚層,對上皮的分化起決定作用。哺乳類某些內部的腺體,如唾液腺、乳腺等在形成過程中,間質細胞對腺體上皮的誘導作用是關鍵性的,它可以影響腺體小管的形成和分枝。在離體培養中,用一定孔徑的微孔濾紙把兩者隔開,間質細胞仍然有影響,說明起作用的是一種可以擴散的物質。
  在個體發育中,不論是早期還是晚期,誘導作用是一個普遍現象。各種器官的形成都離不開一部分細胞對另一部分細胞的影響。根據目前已知的事例判斷,在各種器官的誘導中,有不同的物質在起作用。但對這些物質的性質,還缺乏了解。考慮到高等動物的個體中有各種各樣的器官和組織,對於不同的誘導物質逐一地進行了解,當然也是必要的。但是,在誘導作用中也存在著共性的東西,這就是細胞的反應。不論哪種物質引起組織或器官的分化,最根本的是細胞起反應,這是共同的。因此,研究細胞的反應、研究細胞在受到誘導后如何調節基因的活動,產生應有的生物大分子,表現出應有的形態特徵,對於研究各種器官的誘導都是十分重要的。在這方面如果在某一點上有所突破,可能對於了解全部胚胎髮育的機制都會產生影響。

 

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