yj第七章附肢的發(fā)育和再生

1、第七章第七章 附肢的發(fā)育附肢的發(fā)育一、肢芽的形成一、肢芽的形成二、附肢的早期發(fā)育二、附肢的早期發(fā)育三、前肢和后肢的特化三、前肢和后肢的特化四、頂外胚層嵴的形成四、頂外胚層嵴的形成五、附肢發(fā)育時(shí)期軸的建立五、附肢發(fā)育時(shí)期軸的建立六、同源基因在附肢發(fā)育中的作用六、同源基因在附肢發(fā)育中的作用七、細(xì)胞死亡與指和關(guān)節(jié)的形成七、細(xì)胞死亡與指和關(guān)節(jié)的形成v附肢發(fā)育的研究是發(fā)育生物學(xué)的一個(gè)重要課題。脊椎動(dòng)物，特別是鳥類和兩棲類附肢（limb）的發(fā)育包含了大量的、各種各樣的誘導(dǎo)作用。v有尾類的蠑螈和美西螈附肢具有明顯的再生能力，是研究再生的極好模型。v脊椎動(dòng)物的附肢是一個(gè)極其復(fù)雜的器官，每一塊骨和肌肉的位置都被

2、精密地組織在一起。附肢在三個(gè)基本軸上是不對稱的，但左前肢總是和右前肢呈鏡面對稱。v脊椎動(dòng)物的附肢都是由體壁中胚層和外部的表皮共同組成的。雞翅內(nèi)骨的排列模式及其不對稱雞翅內(nèi)骨的排列模式及其不對稱性性孵化孵化1010天的完整雞翅標(biāo)本，示三個(gè)發(fā)育軸：近側(cè)天的完整雞翅標(biāo)本，示三個(gè)發(fā)育軸：近側(cè)- -遠(yuǎn)遠(yuǎn)側(cè)軸、前后軸及背腹軸。側(cè)軸、前后軸及背腹軸。v在所有的四足動(dòng)物中，附肢發(fā)育的基本形態(tài)發(fā)生原則（basic morphogenetic rules）是相同的。v構(gòu)建一個(gè)附肢所需要的位置信息要在一個(gè)三維（或包括時(shí)間在內(nèi)的四維）的、相互協(xié)調(diào)的系統(tǒng)中發(fā)揮作用?，F(xiàn)在已鑒定了一系列蛋白，在附肢近遠(yuǎn)軸、前后軸和背腹軸的

3、形成過程中發(fā)揮作用。一、肢芽的形成一、肢芽的形成附肢場的形成：Hox基因和視黃酸RAv脊椎動(dòng)物的附肢在起源上是由胚胎體壁向外生長形成的，主要是由來自中胚層的疏松間質(zhì)形成的中央核，以及來自外胚層的表皮兩大部分組成。v附肢的原基稱為附肢芽（limb bud）。附肢芽形成的位置在每一物種是恒定的，由Hox基因沿身體前后軸表達(dá)的水平?jīng)Q定。雞胚胎的肢芽。雞胚胎的肢芽。孵化后第三天胚胎的側(cè)面出現(xiàn)肢芽v許多脊椎動(dòng)物胚胎中的預(yù)定附肢區(qū)（prospective limb area）已被定位。能形成一個(gè)附肢的所有細(xì)胞，稱為附肢場附肢場（limb field），包括位于中央的、產(chǎn)生附肢本身的中胚層細(xì)胞（附肢盤，li

4、mb disc）以及形成周圍的軀干組織和肩帶/腰帶的細(xì)胞。v附肢場起初具有調(diào)節(jié)失去或增加部分附肢的能力，附肢場中的每個(gè)細(xì)胞都能被指令形成附肢的任意一部分。美西螈（美西螈（Ambystoma maculatum）的預(yù)定前肢場）的預(yù)定前肢場Hyla regila的早期后肢場被許多寄生的線蟲卵分隔開，形成多附肢的蝌蚪，示附肢場的調(diào)整能力。v視黃酸RA對于肢芽的向外生長具有重要的意義。用藥物阻斷RA的合成，將抑制肢芽最初的形成。vHensens結(jié)可能是產(chǎn)生RA的源泉。沿身體前后軸呈梯度分布的RA可以激活某些同源框基因，促使這些細(xì)胞形成肢場。RA還可以引起再生尾中的同源轉(zhuǎn)化現(xiàn)象（homeotic tra

5、nsformation） 。A，RA處理蝌蚪的尾巴引起肢的再生；處理蝌蚪的尾巴引起肢的再生； C，RA處理處理促進(jìn)肢芽的形成（箭頭所指部位）。促進(jìn)肢芽的形成（箭頭所指部位）。二、附肢的早期發(fā)育二、附肢的早期發(fā)育1 附肢發(fā)育中外胚層和中胚層間的相互作用v附肢發(fā)育起始于肢場側(cè)板中胚層（四肢骨的前體）和體節(jié)中胚層（四肢肌肉的前體）間質(zhì)細(xì)胞的增殖。v體節(jié)中胚層細(xì)胞沿胚胎長軸的增殖，逐漸在表皮的下面形成厚的間質(zhì)細(xì)胞團(tuán)，可能與兩對附肢形成的位置有關(guān)。兩棲類胚胎中附肢由中胚層起源的圖解兩棲類胚胎中附肢由中胚層起源的圖解v覆蓋在間質(zhì)細(xì)胞團(tuán)表面的表皮變得稍微增厚，同時(shí)被包裹在內(nèi)部的間質(zhì)細(xì)胞團(tuán)向外突出，形成肢芽（

6、limb bud）。v肢芽形成的信號(hào)是由形成預(yù)定附肢間質(zhì)細(xì)胞的側(cè)板中胚層細(xì)胞提供的，這些細(xì)胞分泌的FGF10能夠啟動(dòng)上皮和中胚層細(xì)胞之間的相互作用。含有FGF10的磁珠（bead）異位放置于上皮下方，會(huì)誘導(dǎo)出額外的肢芽。FGF10的表達(dá)及其在雞肢發(fā)育過程中的作用。的表達(dá)及其在雞肢發(fā)育過程中的作用。三、前肢和后肢的特化三、前肢和后肢的特化vGain-of-function實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，轉(zhuǎn)錄因子TBX4和TBX5分別與后肢和前肢的特化有關(guān)。vLoss-of-function資料也表明，人類TBX5基因缺失會(huì)導(dǎo)致上肢和心臟的異常，但下肢基本不受影響。TBX4 和TBX5在肢型特化中的作用TBX4和和

7、TBX5在在FGF10誘導(dǎo)形成的肢芽中的表達(dá)誘導(dǎo)形成的肢芽中的表達(dá)異位表達(dá)異位表達(dá)TBX4，可，可以使以使FGF10誘導(dǎo)形成的誘導(dǎo)形成的前肢轉(zhuǎn)變?yōu)榍爸D(zhuǎn)變?yōu)楹笾笾?、頂外胚層嵴的形成四、頂外胚層嵴的形成v隨著鳥類和哺乳類的中胚層間質(zhì)細(xì)胞進(jìn)入肢區(qū)，它們分泌的因子誘導(dǎo)肢芽頂端前、后邊緣的外胚層細(xì)胞伸長，形成一個(gè)增厚的特殊結(jié)構(gòu)，稱為頂外胚層嵴（apical ectoderm ridge，AER）。vAER是一個(gè)臨時(shí)的結(jié)構(gòu)，對于附肢的繼續(xù)向外生長是至關(guān)重要的。v間質(zhì)細(xì)胞分泌的因子可能是FGF10，其他的FGF因子如FGF2、FGF4和FGF8雖然也可以誘導(dǎo)AER的形成，但FGF10合成的時(shí)間和位置都

8、是適當(dāng)?shù)摹FGF10能夠誘導(dǎo)雞胚背腹交界處的外胚層形成AER。在背部化的肢芽突變體中，由于沒有背腹交界，便不能形成AER。掃描電鏡觀察孵化4.5 天天的雞胚肢芽，顯示頂外胚層嵴AER。 附肢的向外生長涉及AER和中胚層間持續(xù)的相互作用。v一旦中胚層誘導(dǎo)其上方的外胚層形成AER，AER與中胚層的相互作用對附肢的向外生長是最重要的。v中胚層在附肢發(fā)育中也起著關(guān)鍵的作用。AER起初的形成和繼續(xù)存在依賴于位于其下方的中胚層。AER與位于其下的中胚層的相互作用v附肢發(fā)育中至少要求三種類型的外胚層和中胚層間的相互作用：v第一，中胚層起始附肢芽向外生長和形成AER；v第二，AER進(jìn)一步刺激肢芽的向外生長以

9、及肢芽中胚層的增殖和分化；v第三，附肢芽中胚層提供保持AER所必須的刺激。五、附肢發(fā)育時(shí)期軸的建立五、附肢發(fā)育時(shí)期軸的建立v脊椎動(dòng)物完全形成的附肢包含三個(gè)軸的發(fā)育：近遠(yuǎn)軸（proximal-distal, P-D）、背腹軸（dorsal-ventral，D-V）和前后軸（anterior-posterior, A-P）。v附肢發(fā)育中三個(gè)軸的建立具有各自的時(shí)間性，它們好像是按下列順序決定的：前后軸、背腹軸和近遠(yuǎn)軸。近遠(yuǎn)軸的發(fā)育v附肢沿近遠(yuǎn)軸的分化是由AER和附肢中胚層誘導(dǎo)的相互作用產(chǎn)生的。附肢芽的逐漸向外生長是由于位于AER下面間質(zhì)細(xì)胞的增殖，而AER釋放的分子維持間質(zhì)細(xì)胞不斷進(jìn)行分裂。v由AE

10、R合成、釋放到其下的間質(zhì)中的成纖維細(xì)胞生長因子FGF可能是雞胚中維持間質(zhì)細(xì)胞增殖的分子。AER和附肢芽中胚層中胚層的相互作用外胚層嵴頂端對于肢芽近遠(yuǎn)軸圖式的發(fā)育是必須的外胚層嵴頂端對于肢芽近遠(yuǎn)軸圖式的發(fā)育是必須的。從正在發(fā)育的肢芽中去除AER，將導(dǎo)致肢芽生長的停止；在發(fā)育后期將AER去除，可得到較為完整的肢。 生長因子可以替代頂外胚層嵴。生長因子可以替代頂外胚層嵴。將AER切除后，移植能釋放生長因子FGF-8的玻璃珠，可使肢幾乎正常發(fā)育。背腹軸的分化v在雞翅中，沿背腹軸有一很清晰的圖式。背腹軸的組成部分是由早期雞胚胎預(yù)定肢芽區(qū)域的外胚層決定，并在背腹軸之間發(fā)育形成頂外胚層嵴。v在突變小鼠中控制

11、著脊椎動(dòng)物肢的背腹軸的基因已經(jīng)被確定。 Wnt-7a基因在肢背部中胚層圖示形成中起到關(guān)鍵作用。v從體節(jié)發(fā)出的信號(hào)參與背部外胚層的確定。在雞翅芽中，背腹外胚層界線的建立明顯有來看Notch受體信號(hào)的參與。v含有homeobox的基因Engrailed-1在AER形成之前就已經(jīng)在附肢腹部的外胚層特異地表達(dá)，有可能特化為將來的腹部區(qū)域。外胚層控制發(fā)育中肢的背腹軸圖式的形成。外胚層控制發(fā)育中肢的背腹軸圖式的形成。Wnt-7a在背部外胚層中表達(dá)，而Engrailed基因在腹部外胚層中表達(dá)。lmx-1基因在背中胚層中被Wnt-7a誘導(dǎo)表達(dá)，并且參與背部結(jié)構(gòu)的確定。 前后軸的特化v附肢芽前后軸的極性是在肢芽

12、能識(shí)別之前就已特化。v有兩種主要模型用來解釋前后軸的特化。一種是極化活動(dòng)區(qū)（zone of polarizing activity，ZPA）可擴(kuò)散形態(tài)發(fā)生子模型（ZPA diffusible morphogen model）。另一種是極性坐標(biāo)模型（the polar coordinate model）。六、同源基因在附肢發(fā)育中的作用六、同源基因在附肢發(fā)育中的作用 現(xiàn)代研究認(rèn)為附肢是通過特異基因在特定細(xì)現(xiàn)代研究認(rèn)為附肢是通過特異基因在特定細(xì)胞中的表達(dá)決定的，同源基因可用于解釋附胞中的表達(dá)決定的，同源基因可用于解釋附肢發(fā)育中的所有主要現(xiàn)象。肢發(fā)育中的所有主要現(xiàn)象。v同源基因決定附肢場同源基因決定附

13、肢場 附肢場的邊界與誘導(dǎo)能力有關(guān)，而此邊界是附肢場的邊界與誘導(dǎo)能力有關(guān)，而此邊界是由同源基因的表達(dá)模式?jīng)Q定的。由同源基因的表達(dá)模式?jīng)Q定的。v漸進(jìn)帶的相互作用是由msx-1和msx-2基因調(diào)節(jié)的v AER和位于其下的間質(zhì)的相互作用是由msx-1和msx-2基因產(chǎn)物調(diào)節(jié)的。v msx-1基因起初在整個(gè)早期的附肢芽中表達(dá)，但此后變得局限于直接位于AER下方的漸進(jìn)帶間質(zhì)中表達(dá)。msx-2基因起初是在AER和前部的間質(zhì)中的表達(dá)。由同源基因決定前后軸和指的特性vHoxD基因家族（Hoxd-9到Hoxd13）的表達(dá)模式在小鼠附肢芽的后部邊緣是重疊的。這意味著在后部邊緣產(chǎn)生小指的細(xì)胞表達(dá)所有這些基因，而在前部

14、邊緣形成拇指的細(xì)胞只表達(dá)Hoxd-9。顯然，在不同Hox-D基因的表達(dá)中存在一個(gè)編碼特化前后指的模式。七、細(xì)胞死亡與指和關(guān)節(jié)的形成七、細(xì)胞死亡與指和關(guān)節(jié)的形成v脊椎動(dòng)物附肢中特定細(xì)胞的死亡是可遺傳的程序性細(xì)胞死亡，是進(jìn)化過程中經(jīng)自然選擇形成的。v細(xì)胞死亡在指/趾的成形過程中，特別是關(guān)節(jié)形成和手指的分離中起著重要的作用。鴨胚和雞胚后肢原基中細(xì)胞死亡模式的比較鴨胚和雞胚后肢原基中細(xì)胞死亡模式的比較雞胚趾間細(xì)胞的程序性死亡信號(hào)可能由BMP發(fā)出，封阻BMP的受體將會(huì)阻止這些細(xì)胞的程序性死亡。noggin expressiondominant negative BMP receptorv在附肢的正常發(fā)育過程中，BMP既