眼睛发育分子机制及其研究

眼睛发育分子机制及发展研究眼睛发育分子机制及发展研究 姓名：王星 学号：M201171507 导师：张贤钦 有关于眼睛发育的近期研究： 在 2000 年，美国科学家发现晶状体对眼睛发育起重要作用发表在 Science：美国科学家对没有视觉的盲鱼进行健康晶状体移植手术后使之恢 复了视力，由此表明晶状体具有激发盲鱼眼睛发育的作用。为了弄清晶状体在 激发眼睛生长中的作用，研究人员将盲鱼和跟它有密切关系、具有视觉功能的 同一类鱼进行眼睛互相移植实验。他们在实验前将盲鱼眼部退化的晶状体组织 去掉，然后从明眼鱼的胚胎中取出晶状体早期组织，将之移植到发育中的盲鱼 眼窝内。研究人员对每条盲鱼只移植一个晶状体，这样可以用同一盲鱼对比眼 睛发育情况。8 天之后，杰弗里等人注意到盲鱼眼部有所长大。两个月后，盲 鱼长出了一个有清晰瞳孔、角膜和虹膜的大眼睛。此外，移植过晶状体的盲鱼 眼睛的视网膜上还长出了感光细胞，这种细胞在盲鱼眼中原先不存在或极其稀 少。另外，研究人员将盲鱼退化的晶状体移植到了有视觉的鱼眼中，但这一组 织没有发育成正常的眼睛。这一发现将有助于研究人员找到与眼睛生长和发育 有关的遗传因素。科学家指出，导致失明的原因很多，但他们的发现将帮助科 学家从遗传角度找到影响眼睛发育的因素，并将最终帮助科学家弄清失明机理。 一、眼睛发育四个阶段：1、胚眼的发生和形成；2、眼球主要组成部分的 发生；3、眼附属器的发育；4、出生后眼的发育。 第一阶段：胚眼的发生和形成，在神经胚形成之后，视窝、视泡来源于前 脑泡头褶的两侧出现凹陷，称视窝，是眼的原基。视泡与表皮外胚层接触后， 诱导该处的预定晶状体外胚层增厚，形成晶状体板，为晶状体始基。视杯早期 下方为一裂缝，称为胚裂。围绕视杯的中胚叶组织经胚裂进入视杯内形成透明 样血管系统（原始玻璃体动脉） ，营养视杯内层、晶状体泡及视杯间质。视裂于 胚胎第五周开始闭合，由中部开始，向前后延伸，当胚长达 17mm 时，除视茎 下面外，完全闭合。玻璃体动、静脉穿经玻璃体的一段退化，遗留一残迹，称 玻璃体管（Cloquet 管） ；其近段分化为视网膜中央动、静脉。在视泡形成至胚 裂闭合过程中，包绕视杯、视柄、晶状体泡的中胚叶逐渐分化为脉络膜始基和 巩膜始基。此时，眼的各部组织已具雏形，即形成胚眼。 第二阶段：眼球主要组成部分的发生， （1）视网膜的形成：视杯外层形成 视网膜色素上皮层，并保持为单细胞层。胚胎 4 周时，细胞内开始出现色素颗 粒，至第 5 周时细胞内充满色素。视杯内层急剧进行细胞增殖，最终分化成视 网膜感觉部（内 9 层） 。二层之间的空隙不久消退，形成潜在间隙。 （2）视网膜 睫状体和虹膜的形成：胚胎第 3 个月时，视杯前缘向前生长，并包绕晶体，形 成睫状体和虹膜内面的两层上皮。睫状体内面的上皮，外层有色素，内层无色 素。而虹膜内面的两层上皮都有色素。虹膜中的瞳孔括约肌和瞳孔开大肌，也 是从 视杯缘的外层分化而来，属于外胚层组织。睫状肌由睫状体部位的 中胚层增厚分化而成。 （3）视神经的形成：由胚眼的视柄发育而来。逐渐增多 的视网膜神经节细胞轴突向视柄内层汇集，视柄内层增厚并与外层融合。视柄 细胞演变为星形胶质细胞和少突胶质细胞，与节细胞轴突混杂，于是视柄演化 为视神经。仅视盘中央处有视柄细胞残留，出生时即萎缩形成生理凹陷。视神 经的髓鞘由脑部沿视神经向眼侧生长，出生时止于筛板后，如进入视网膜则形 成视网膜有髓鞘神经纤维。视神经逐渐向中枢神经系统方向生长，在脑垂体前 形成视交叉。当胚胎 10 周时形成视束。 （4）晶状体的形成：晶状体泡前壁细胞 始终保持上皮性质，分化为晶状体上皮。胚胎 5 周时，晶状体泡后壁细胞逐渐 变长向前生长，直达前壁下面，充满晶状体腔，成为初级晶状体纤维。赤道部 的晶状体细胞在胚胎 7 周后开始分裂，分化成为次级晶状体纤维，前后相接而 形成缝合线。晶状体囊于胚胎 5-6 周形成，可能为晶状体上皮细胞的基底膜产 物。当晶状体在发育过程中受到障碍，可产生种种先天异常。发生不同类型的 先天性白内障或无晶状体等。 （5）玻璃体的形成：原始玻璃体：由原始视泡和 晶状体泡间存在的细胞间质形成，次级玻璃体：由视杯内层细胞产生，将原始 玻璃体挤向眼球中央和晶状体后面，使其形成 Cloquet 管。三级玻璃体：即晶 体悬韧带。由睫状体的神经上皮细胞分泌出纤维丝，发育成为晶体悬韧带。 （6）眼球血管系统的形成：玻璃体血管系统 ：胚胎第 3 周，原始眼动脉沿视 杯腹侧分出玻璃体动脉经胚裂入视杯，到玻璃体腔内前行，达晶体泡的后部形 成晶体血管膜。其它分支沿视杯向前至视杯边缘，互相吻合成环状血管并与晶 体血管膜吻合。同时，未来脉络膜毛细血管亦出现于视杯外面。视网膜中央血 管系统 ：胚胎第 3 个月，玻璃体动脉与晶体血管膜开始萎缩，玻璃体动脉在视 盘处分出血管，逐渐形成视网膜中央血管系统。 （7）色素膜的形成：虹膜基质： 胚胎第 6 周末，体表外胚层与晶体之间中胚层组织出现一裂隙，即前房始基， 由此形成前房。裂隙后壁富于血管的中胚层组织，形成虹膜的基质层，中央部 较薄称瞳孔膜。胚胎第 7 个月时，瞳孔膜中央开始萎缩，形成瞳孔。脉络膜： 胚胎长 6mm 时，有毛细血管网包围视泡，并逐渐发育成脉络膜。第 3 个月时， 脉络膜开始形成中血管和大血管，并引流入涡静脉。 （8）角膜的形成：晶状体 泡与表皮外胚层脱离后，外层预定角膜上皮细胞增殖形成两层细胞。在发育中 的视网膜和晶状体诱导作用下，预定角膜上皮开始在内表面分泌细胞外基质， 形成初级角膜基质，随后间质细胞侵入初级角膜基质中，形成次级角膜基质和 角膜内皮，最后变为透明的角膜。 （9）巩膜的形成：胚胎第 2 个月末由视杯周 围的中胚叶开始形成，先由角膜缘和眼外肌附着处开始形成巩膜纤维，向后进 展，至胚胎第 5 个月巩膜发育完成。 （10）眼眶的发育：胚胎第 4 周时由围绕视 杯周围中胚层组织发育而成眼眶，发育较眼球缓慢,将持续到青春期。如在儿童 期摘除眼球,可影响眼眶的正常发育。随着眼眶的发育眶轴逐渐向前移动。视轴 亦随之发生变化。视轴的改变对双眼单视的形成有很大的关系。 第三阶段：眼附属器的发育; (1)眼睑和结膜的发育: 眼睑与结膜的上皮细胞 层、腺体和导管、睫毛由体表外胚层发生；上皮下的纤维组织、睑板、肌肉则 由中胚层发生。胚胎第 5 周，眼球前方与角膜上皮毗邻的表面外胚层形成睑褶， 为眼睑始基。睑褶外面的表皮外胚层形成眼睑，内面形成结膜,并和球结膜及角 膜上皮相连。第 9 周发育出眼睑附属物如毛囊、皮脂腺等，随后出现睫毛，胚 胎第 6 周时出现睑板腺。(2)泪器的发育: 泪器所有组织均由体表外胚层发育而 来。泪腺于第 3 个月由上穹隆部外侧结膜上皮分化而来 。泪道是在第 6 周时， 体皮外胚层在外侧鼻突和上颌突之间下陷成沟，后此处上皮和表面上皮脱离， 逐渐形成管道。7 个月上下泪点开放。第 8 个月鼻泪管下口开放。直至出生时 泪道完全通畅。(3) 眼外肌的发育: 由视泡周围的中胚层发育产生。胚胎第 3 周 时，中胚层组织凝集呈圆锥形，并向前围绕视泡，此即原始眼外肌组织。4 周 开始分化，第 5 周时已能分辨出直肌和斜肌。第 6 周时，各个眼肌已完全分开。 第 10 周时，上直肌分化出上提睑肌。 第 11 周该肌发育完全，当上直肌发育 不全时，常同时伴有提上睑肌发育不全。第 12 周时，在直肌附着处中胚层组织 密度增加逐渐分化形成眼球筋膜。 第四阶段：出生后眼的发育；胎儿出生时，眼球前后径为 12.515.8， 垂直径 14.517。出生后第一年生长较快，以后生长渐缓，青春期后又加 快，20 岁左右逐渐停止生长。第二年角膜达到成人大小，前房角在出生后继续 张开，24 岁时达到成人大小。 黄斑部中心凹于出生后 4 个月内发育完善。出 生后，晶状体第一年生长很快，逐渐变为扁平，一生中不断生长，直到老年时 生长缓慢。 二、眼球发育调控的分子机制：眼睛的发育过程被形象地分为三阶段:特化 期,决定期和终末分化期。每一期都与特定的选择性 基因或蛋白的表达有关,后 者又受到细胞外信号通路的调控。特化期为细胞塑型早期，细胞命运主要依赖 环境因素，细胞分化具有可逆性。决定期细胞进一步塑型，该期细胞分化为自 治行为，不可逆转，对环境信息不敏感。 参与眼发育调控的基因：（1）与眼球发生密切相关的基因：Pax6、Rx 和 Eya1 和 Eya2； （2）与晶状体发育相关的基因： BMP、Pax6、Sox2、Lmaf、Six3、Prox1、Crystallins 家族等；（3）与视网膜发 育相关的基因：周围微环境中的各种外源因子如 SHH 等。 （1）与眼球发生密切相关的基因：Pax6 基因：Pax6 基因编码的产物属于 DNA 结合蛋白家族，含有一个 128129 个氨基酸的 DNA 结合区，称为 paired domain （PD） ，另一个 DNA 结合区为同源结构域（homeodomain HD） 。Pax6 蛋白通过识别、结合特定的 DNA 序列而调节其靶基因的表达。PD 结构域从结 构和功能上分为两个部分：PAI 和 RED, 哺乳动物 Pax6 基因编码的产物主要有 两种：Pax6（p46）和 Pax6（p48） ，其它的短片段如 p43，p33，p32 等在细胞 浆中少量表达，无特殊功能。 Pax6 在眼外也有表达，但它对眼发育的调控有 重要的作用。目前认为 Pax6 对眼组织发育的特化作用，与它和组织特化调控因 子(c-Maf,Ap-2,Sox2 等)、广泛表达因子(pRb 和 TFIID)相互作用，以及它可以调控 一些转录因子(c-Maf,Maf/L-Maf,Six3 和 Prox1)的表达有关。 Rx 基因：Rx(retinal homebox )家族是一类与视觉神经系统 发育密切相关的 同源异型基因，调控眼基质、视泡、 视网膜、前脑以及中脑部分区域的发育。 据目前的研究结果，Rx 基因与视觉神经系统发育 的关系可以简述为：按胚胎 发育的时间与空间顺序， Rx 基因调控眼睛和其他脑区的发育。 眼缺失（eye absent）基因：眼缺失基因也在胚眼的发育过程中表达。在果 蝇中 Eya1 和 Eya2 基因的缺失将导致无眼或小眼球；人类和小鼠的相应基因缺 陷可以导致支气管-耳-肾综合征。 (2) 与视网膜发育相关的基因：视网膜发育的基因调控从视泡、视杯发育到 神经视网膜、视网膜色素上皮 的分化进一步发育分化成为精细的视网膜结构， 需要精确的时间和空间的基因表达调控。脊椎动物的视网膜包括六种类型的神 经元和一种神 经胶质细胞，构成精细的细胞骨架结构。视网膜发育过程 中， 各种类型的细胞都是由多能视网膜神经前体细胞发育而来的。视网膜神经系统 的正常发育受干细胞本身和它所 处的环境因素影响而决定。 SHH 因子: 在视网膜的发育过程中, 视网膜神经节细胞表达产 生 SHH 蛋白， SHH 蛋白是调节视网膜神经细胞分化的 重要信号分子，对于视网膜的神经形成 和正常分层的过 程十分必要，它能够促进哺乳动物视网膜神经上皮发育 分化， 且 SHH 信号途径参与调控视网膜神经细胞再生。 bHLH 转录因子家族: 在脊椎动物中， bHLH 家族中的 Hes1 和 Hes2 在 Notch/Delta 信号转导途径的下游发挥作用，抑制视网膜神经元的分化。 Pax6 是保持视网膜神经前体细胞多能性必需的 ，同时 Pax6 促进 bHLH 转 录因子家族中的 Ngn2、 Mash1 和 Mash5 基因的表达，这些基因的表达是决定 视网膜神经元倾向分化所不可或缺。 Prox1 参与胚胎视网膜的发育，Prox1 基因在胚胎 视网膜发育期间两次被 打开和关闭，通过 Prox1 基因敲 除小鼠模型的研究，发现这个基因是视网膜中 水平细胞层的正确发育所必需的，水平层细胞重要负责处理视杆细胞传递过来 的信息。 Vax1 与 Vax2 在视泡区域表达并作用于视杯的发育， Vax 与其它同源异形 盒基因（如 Rx， Rax、Chx10 等）相互作用共同调节视觉神经系统的发育。 (3)晶状体发育: 晶状体的形成是一系列诱导者对预定晶状体外胚层细胞连 续诱导和作用的结果。视泡与表皮外胚层接触、晶状体板的形成，至少取决 于 两个方面的因素：视泡发出诱导信号；预定发育成晶状体的表皮外胚叶接受诱 导刺激产生反应。其中晶状体诱导作用对晶状体的形成非常重要，晶状 体诱导 现象是指临近的组织通过信号的传递影响晶状体细胞的变化，从而对晶状体的 形成进行调控。 Six3 基因 Six3 通过直接激活 Pax6 发挥功能。Pax6 基因被认为是眼睛发 育 的“总指挥官” 。在没有 Six3 的情况下，Pax6 不能调节其它一系列 负责晶状体 发育的基因的活性。 晶体蛋白基因 晶状体发育过程中特征性表达和积聚水溶性蛋白晶体蛋白。 晶 体蛋白必须透明，有一定的屈光度，能够保持晶状体的完整。晶体蛋 白分 为两种：组织广泛表达的 晶体蛋白，、-晶体蛋白和某些动物晶状体中 特异表达的晶体蛋白（大部分这种蛋白具有酶活性，称为晶体蛋白酶） 。 Pax6 基因 在晶状体发育过程中，Pax6 基因在表皮外胚叶发 挥作用，而不 是在视泡中。对蟾蜍胚胎晶状体发育的研 究表明，Pax6 基因的表达在晶状体 发育过程中是必需的和充足的。 Pa