第十四章附肢的发育和再生

第十四章 附肢的发育和再生概述v附肢发育的研究是发育生物学的一个重要课题。脊椎动物，特别是 鸟类 和 两栖类 附肢（ limb）的发育包含了大量的、各种各样的 诱导作用 。v有尾类的蝾螈 和 美西螈 附肢具有 明显的再生能力，是研究再生的 极好模型 。第一节 脊椎动物附肢的发育v脊椎动物的附肢是一个 极其复杂的器官 ，每一块骨和肌肉的位置都被精密地组织在一起。v附肢在 三个基本轴上是不对称的 ，但 左前肢总是和右前肢呈镜面对称 。v脊椎动物的附肢都是由 体壁中胚层 和 外部表皮共同组成。鸡翅内骨的排列模式及其不对称性孵化 10天的完整鸡翅标本示三个发育轴：近侧 -远侧轴、前后轴及背腹轴。前部的 后部的 近侧的 远侧的 背侧的 腹侧的 v在 所有的四足动物中 ，附肢发育的 基本形态发生原则 是相同的。v构建一个附肢所需要的位置信息要在一个三维（或包括时间在内的四维）的、相互协调的系统中发挥作用。现在已鉴定了 一系列蛋白 ，在附肢 近远轴 、 前后轴 和 背腹轴 的形成过程中发挥作用。一、附肢的起源v脊椎动物的附肢在 起源 上是由 胚胎体壁向外生长形成 的，主要是由来自 中胚层的疏松间质形成的中央核 ，以及来 自外胚层的表皮 两大部分组成。v附肢的原基称为 附肢芽 （ limb bud）。v附肢芽形成的 位置在每一物种是恒定 的，由 Hox基因 沿身体前后轴表达的水平决定。鸡胚胎的肢芽孵化后第三天胚胎的侧面出现肢芽。翅肢芽腿肢芽顶外胚层嵴体节 附肢域v 能形成一个附肢的所有细胞，称为 附肢域 （ limb field）或附肢场 。v 附肢域 包括位于中央的、产生附肢本身的 中胚层细胞 （附肢盘， limb disc）以及形成周围的 躯干组织和肩带 /腰带细胞 。v 附肢域 起初 具有 调节失去或增加部分附肢 的能力，附肢域中的 每个细胞都能被指令形成附肢的任意一部分 -调和等能系统 。美西螈（ Ambystoma maculatum）的预定前肢场视黄酸视黄酸 RA对于肢芽的向外生长具有重要的意义。用药物阻对于肢芽的向外生长具有重要的意义。用药物阻断断 RA的合成，将抑制肢芽最初的形成。的合成，将抑制肢芽最初的形成。A， RA处理蝌蚪的尾巴引起肢的再生； C， RA处理促进肢芽的形成（箭头所指部位）。二、附肢的早期发育v附肢早期发育的 第一个迹象：v预定形成附肢的细胞从附肢域 侧板中胚层 （附肢骨骼的前体 ）和 体节中胚层 （附肢 肌肉的前体 ）分离出来，转变成一团间质细胞，这些间质细胞向侧面迁移到 侧板中胚层和表皮之间 ，牢固地贴附于表皮内表面。两栖类胚胎中附肢由中胚层起源的图解肢芽 肢芽v 覆盖在间质细胞团表面的 表皮变得稍微增厚 ，同时被包裹在内部的 间质细胞团向外突出 ，形成 肢芽（ limb bud） 。肢芽中胚层细胞 成纤维细胞生长因子 FGF10v形成预定附肢间质细胞中的 侧板中胚层细胞 提供 肢芽形成的信号 ，这些细胞分泌的FGF10能够启动上皮和中胚层细胞之间的相互作用。v含有 FGF10的磁珠（ bead） 异位放置于上皮下方，会诱导出额外的肢芽。FGF10的表达及其在鸡肢发育过程中的作用三、前肢和后肢的特化vGain-of-function实验结果表明，转录因子TBX4和 TBX5分别与 后肢 和 前肢 的特化有关。vLoss-of-function资料也表明，人类 TBX5基因缺失 会导致 上肢和心脏的异常 ，但 下肢基本不受影响 。TBX4 和 TBX5在肢型特化中的作用TBX4和 TBX5在 FGF10诱导形成的肢芽中的表达异位表达TBX4，可以使 FGF10诱导形成的前肢转变为后肢四、顶外胚层嵴的形成v随着鸟类和哺乳类的中胚层间质细胞进入肢区，它们分泌的因子诱导肢芽顶端前、后边缘的外胚层细胞伸长，形成一个增厚的特殊结构，称为 顶外胚层嵴 （ apical ectoderm ridge， AER）。 AER是一个临时的结构，对于附肢的继续向外生长是至关重要的。v间质细胞分泌的因子可能是 FGF10， 其他的 FGF因子如 FGF2、 FGF4和 FGF8虽然也可以诱导 AER的形成，但 FGF10合成的时间和位置都是适当的。vFGF10能够诱导鸡胚背腹交界处的外胚层形成 AER。 在背部化的肢芽突变体中，由于没有背腹交界，便不能形成 AER。扫描电镜观察孵化 4.5 天的鸡胚肢芽显示顶外胚层嵴AER背侧 腹侧 附肢发育中外胚层和中胚层间的相互作用附肢的向外生长涉及附肢的向外生长涉及 AER和中胚层间持续的和中胚层间持续的相互作用。相互作用。v一旦中胚层诱导其上方的外胚层形成 AER，AER与中胚层的相互作用对附肢的向外生长是最重要的。v中胚层在附肢发育中也起着关键的作用。 AER起初的形成和继续存在依赖于位于其下方的中胚层。AER与位于其下的中胚层的相互作用v 在附肢发育期间任何时间 除去AER，远端附肢的进一步发育停止。v 当 额外的 AER移植 到附肢芽上将形成超数附肢结构，通常朝向附肢远端。v 将 腿间质直接置于翅的 AER下方 ，远端的后肢结构（趾）在附肢末端发育（然而，如果腿间质离 AER较远，后肢间质进入翅的结构）。v 当 非附肢的中胚层移植到AER下方 ，则 AER退化，附肢发育停止。附肢发育中外胚层和中胚层间的相互作用v附肢发育中至少要求三种类型的外胚层和中胚层间的相互作用 ：v第一 ，中胚层起始附肢芽向外生长和形成 AER；v第二 ， AER进一步刺激肢芽的向外生长以及肢芽中胚层的增殖和分化；v第三 ，附肢芽中胚层提供保持 AER所必须的刺激。五、附肢发育时期轴的建立v脊椎动物完全形成的附肢包含三个轴的发育： 近远轴（ proximal-distal, P-D）、 背腹轴 （ dorsal-ventral，D-V）和 前后轴 （ anterior-posterior, A-P）。v附肢发育中 三个轴的建立 具有各自的时间性，它们好像是 按下列顺序决定 的： 前后轴 、 背腹轴 和 近远轴 。1.近远轴的发育v 附肢沿近远轴的分化 ：由 AER和 附肢中胚层诱导 的相互作用产生的。v