1

Tidlig udvikling - vertebrater

Ubefrugtet Befrugtet 1 dags inkubation

Discoidal Meroblastic Cleavage in a Chick Egg

På æglægningstidspunkt 20000 celler i blastoderm.

Dannelse af to-laget blastoderm ved delamination

(endoblast)

Kløvning og initial gastrulation fører til to-laget blastoderm: epiblast og hypoblastsammenholdt i marginalzonen af area opaca.

Mellem disse to lag dannes blastocoel.

Embryo udvikles udelukkende fra epiblast.Hypoblast giver ophav til dele af eksterne membraner, f. eks. blommesækken.

2

Primitivstriben

• Hovedkarakteristikum for gastrulation hos fugle, reptiler og mammaler.

• Dannes fra en fortykning af epiblasten i posterior marginalregionen, og efterhånden uddybes til primitivfuren, hvorigennem migrerende celler passerer ind i blastocoelet(analog til blastoporen: amfibier).

Primitivstriben og Hensens knude

• Fortykning af epiblastregionen initieres af forhøjelse af celler, som danner centrum i primitivstriben.

• Cellerne omkring centrum bliver afrundede og motile, og nedbryder ECM.

• Konvergent ekstension ansvarlig for fortsat udvikling af -striben: Fordobling af længde følges af halvering af bredde.

• Efterhånden som celler konvergerer for at danne striben, opstår en fordybning i midten: primitivfuren.

Primitivstriben og Hensens knude• De første celler, der passerer gennem primitivstriben til

blastocoelet, er epiblast-deriverede endodermaleprecursors.

• Disse undergår EMT, og -striben forlænges bl. a. ved celledeling mod fremtidig hovedregion, og nogle af cellerne indgår i dannelsen af Hensens knude.

• I den anteriore del af primitivstriben opstår en lille forhøjning, primitivknuden/Hensen´s knude, der omgiver en lille fordybning, primitivgruben, som er passagevej ind til blastocoelet.

• Samtidig fortsætter de sekundære hypoblastcelleranterior migration.

• Celler, der migrerer gennem anterior del af primitivstriben, og fortsætter fremad danner fortarm, hovedets mesoderm og notochord, hvorved midtlinien af epiblasten skubbes opad og danner hovedets fremspring (head process).

• Celler, der migrerer gennem posterior del giver ophav til størstedelen af endodermalt – og mesodermalt væv.

Cell Movements of the Primitive Streak of the Chick Embryo

7-8 t

Ingression af endodermaleprecursors, som undergår EMT. Deling og ekstension.

3-4 t

3

15-16t

19-22 t

23-24 t

Neurulation4-somit stadium

Migration of Endodermal and Mesodermal CellsThrough the Primitive Streak

PrechordalpladenNotochord

NotochordSomiter

Intermediær mesodermLateralplade mesoderm

Migration of Endodermal and Mesodermal CellsThrough the Primitive Streak

The different layers and organs that are already beginning to develop are coloredand labeled.The three basic embryonic germ layers are ectoderm (blue), mesoderm (red) and endoderm (yellow). The purple notochord is the embryonic axiswhere the spinal column will be. The blue neural tube will become the brain and nervous system. The yellow gut will become the digestive tract, and the red somiteswill become muscle and skeleton.

24 timers embryo(Max. længde af primitivstribe)

4

I næste fase af gastrulationen (> 24 h) ses fortsat mesodermal ingression, samt regression af primitiv-striben, hvorved Hensens knude skubbes modposterior ende, og fører til dannelse af analregion.

Når dette sker, er alle fremtidige endodermale og mesodermale celler indeni embryo, og epiblastenbestår udelukkende af ektodermceller.

Chick Gastrulation 24–28 Hours After Fertilization

24 hMax. primitivstribe

25 h2 somiter, regression

Chick Gastrulation 24–28 Hours After Fertilization

27 h, 4 somiter 28 h

Chick Gastrulation 24–28 Hours After Fertilization

Ved slutning af gastrulation:

• Ektoderm omslutter nu blommen (v. h. a. epiboli).

• Endoderm har erstattet hypoblasten.

• Mesoderm er lejret mellem ektoderm og endoderm.

5

Primitivknuden• Ekvivalent til dorsal blastopore lip (amfibier).

• Region som danner chordamesoderm/notochord.

• Region, som kan organisere en anden embryonal akse, hvis transplanteret til andre steder i gastrula.

• Celler i knuden secernerer chordin, Noggin og Nodal proteiner, som er antagonister til BMP.

Formation of Hensen’s Node From Koller’s Sickle

Anterior celler (grønne) danner Hensensknude og notochordderivater.

Induction of a New Embryo by Transplantation of Hensen’s Node

Induction of a New Embryo by Transplantation of Hensen’s Node

Neural induktion ved hæmning af BMP signaleringVertebrater: Dorsal mesoderm kan inducere dannelse af CNS i overliggende ektoderm. Hensen´s knude og derivater secernerer BMP antagonist-proteiner.

Notochord og svælg endoderm Begrænses til non-neural ektoderm

FGF

Specification of the Chick Anterior-Posterior Axis by Gravity

Konversion af radial symmetrisk blastoderm til bilateral symmetrisk struktur:10-12 rotationer/time fordeler blomme, så de lettere komponenter ligger under den ene side af blastoderm = primitivstribens udgangspunkt.

6

pH 9,5

pH 6,5

Na+, H2O

-

+

25 mV

dorsal

ventral

Højre-venstre akse

• Højre-venstre orientering reguleres hovedsageligt af to proteiner:den parakrine faktor, Nodal ogtranskriptionsfaktoren, Pitx2.

Når primitivstriben har max. længde, hæmmes transkription af sonic hedgehog i højre side af embryo.

Pathway for Left-Right Asymmetry in the Chick Embryo

cerberus mRNAset ventralt

nodal mRNAset dorsalt

pitx mRNAset ventralt

Pathway for Left-Right Asymmetry in the Chick Embryo

Tidlig udvikling hos mammaler

7

Development of a Human Embryo From Fertilization to Implantation Kløvning adskiller sig ved:

• Hastighed: 12-24 h mellem hver, dvs. langsom• Orientering

Early Cleavage in (A) Echinoderms and Amphibians and (B) Mammals

Rotational cleavage

Kløvning adskiller sig ved:• Hastighed: 12-24 h mellem hver, dvs. langsom• Orientering

• Asynkroni i tidlige delinger, dvs. ikke alle blastomererdeler sig samtidigt• Genomet er aktivt under kløvning (mus og ged, skift fra maternal til zygotisk kontrol på 2-cellestadiet, hos os ved 4-8-cellestadiet).• Compaction

SEMs of (A) Uncompacted and (B) Compacted 8-cell Mouse Embryos The Cleavage of a Single Mouse Embryo In Vitro

Tight junctions ml. ydreGap junctions ml. indre

Indre cellemasse => embryo (+blommesæk, allantois, amnion)Yderste cellemasse => trofoblast (choriondel af placenta)

morula blastocyst

8

Kløvning adskiller sig ved:• Hastighed: 12-24 h mellem hver, dvs. langsom• Orientering

• Asynkroni i tidlige delinger, dvs. ikke alle blastomererdeler sig samtidigt• Genomet er aktivt under kløvning• Compaction

• Blastocystdannelse: Trofoblaster secernerer væske ind imorula og danner blastocoel v. h. a. Na+/K+-ATPase i membran, der vender ind mod lumen.

The Cleavage of a Single Mouse Embryo In Vitro

Blastocyst: Organisering med ICM i den ene side af ”ring” af trofoblastceller er et karakteristikum for pattedyr. ICM udtrykker Oct4, Stat3 og Nanog.

Hatching From the Zona And Implantation of the Mammalian Blastocyst

Zona pellucida er essentiel for binding af spermier ved befrugtning.

Hindrer desuden binding af tidlig embryo til æggelederens væg.

The Derivation of Tissues in Human and Rhesus Monkey Embryos

• Indre cellemasse danner nedre lag: hypoblast, og det resterende: epiblast, d.v.s. den bilaminærekimskive.

• Hypoblastceller delaminerer og beklæder blastocoelhulen, hvorved de giver ophav til ekstraembryonal endoderm, som danner blommesækken.

• Epiblastlag deles i embryonal epiblast og amnionektoderm, der beklæder amnionhulen, som efterfølgende fyldes med amnionvæske.

Tissue Formation in the Human Embryo Between Days 7 and 11

9

implantation.mov

Trofoblast giver ophav til cytotrofoblast og syncytiotrofoblast, som kontaktes af maternale blodkar, og ekstraembryonal mesoderm dannes (=> navlestreng).

Amnion Structure and Cell Movements During Human Gastrulation Human Gastrulation

• Mesoderm og endoderm dannes ved migration gennem primitivstriben (som hos fugle).

• Migrerende epiblastceller undergår EMT, d.v.s. nedregulerer E-cadherin, og migrerer som individuelle celler (som hos fugle).

• Celler, som migrerer gennem knuden giver ophav til det første, primitive skelet, notochorden (som hos fugle).

• Celler, der danner notochord, bliver integreret i endoderm af den primitive tarm.

• Gastrulation starter i posterior ende af embryo, hvor ”knuden” dannes.

Relationship of the Chorionic Villi to the Maternal Blood Supply

Fuldt udviklet ekstraembryonalt organ, bestående af trofoblastvæv, og mesoderm med dets indhold af blodkar kaldes chorion, fusionerer med livmodervæggen til ”placenta”.

10

Human Embryo and Placenta after 50 Days of Gestation

Fastlæggelse af akser - mammaler

Axis formation in the Mouse

Midsagittal plan d 7

2 signalerende centre i hhv. ”knuden” og i anterior visceral endoderm (AVE). Position reguleres af interaktion mellem epiblast og ekstraembryonale membraner.

Anterior-posterior• AVE etableres før knuden.• AVE og knuden samarbejder om dannelse af

anterior del af embryo.• Primitivstriben dannes altid i epiblasten i modsat

side af AVE.• Dannelse af knude afhængig af trofoblasten, som

inducerer epiblast til knudedannelse.• Knuden (ej Ave) producerer Chordin: hovedets

fremspring og notochord, derefter Noggin.• AVE begrænser formentlig Nodal signal, så gener,

der styrer dannelse af hoved udtrykkes anteriort i epiblasten.

Expression of BMP Antagonists in the Mammalian Node

chordin i knuden og aksial mesoderm

wt chordin KO chordin/noggin KO

• Hos alle vertebrater specificeres polariteten af anterior-posterior aksen af Hox-gener.

• Ét Hox-genkompleks hos Drosophila, 4 hos mammaler (formentlig ved genduplikation).

• Hox-gener udtrykkes langs den dorsale akse, og hver gruppe af paraloge grupper specificerer en given region.

Specifikation af anterior-posterior akse

11

Evolutionary Conservation of Homeotic Gene Organization and Transcriptional Expression Mouse and Chick Vertebral Pattern along the

Anterior-Posterior Axis

Mus og kylling lige mange hvirvler, men fordeling forskellig.Hox-genekspression bestemmende for type.

Left-Right Asymmetry in the Developing Human

Højre-venstre akse• To niveauer: Et overordnet (”globalt”) niveau og et

organspecifikt niveau.

• Mutation i inv, inversion of embryonic turning, fører til udvikling af asymmetriske organer i modsat side.

• Mutation i iv, situs inversus viscerum, randomiserer anlæg af asymmetriske organer.

• Højre og venstre side grundlægges i ciliecellerne i knuden, som dirigerer væskeflow fra højre mod venstre.

Figure 11.49(2) Situs Formation in Mammals

Situs Formation in Mammals

OBS! Fgf8 specificerer højre side hos fugle, men venstre hos pattedyr.