课件：第七章器官发生二四肢.ppt

第七章 器官发生（二）四肢,第一节 肢芽的形成 第二节 肢体近远轴的图示形成 第三节 肢体前后轴的图式形成 第四节 肢体背腹轴的图式形成 第五节 肢芽发育过程中的形态发生 第六节 人类四肢常见先天性畸形,在所有的四足动物中，附肢发育的基本形态发生原则（basic morphogenetic rules）是相同的。 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。 四肢的三个轴向具有固定的相对位置，不同部位的结构容易区分。是一个相对独立的“等能调和系统”。 轴向的确定、图示形成、相同细胞的区域化、细胞的迁移和凋亡、神经轴突的生长导入。,脊椎动物肢体在结构和发育上是保守的。,一、肢芽的形成及其位置决定,肢体区(limb field): 由有能力形成一个肢体的中胚层细胞所组成的区域。沿体轴两侧形成四个特定的圆形区域。 肢体区细胞的特点：区域性、可调节性。,寄生虫卵在肢芽中的繁殖导致多肢体的形成。,肢芽在躯干上的形成部位可能受视黄酸和hox基因的控制,在脊椎动物的胚胎发育中，四肢只能在体轴两侧的特定区域发生，对称地排列在身体中线两侧。 如多种动物的前肢芽都出现于Hoxc-6表达谱的最前部边界，即第一胸椎所处位置。,人胚发育到26d左右，腹部外侧出现小丘状的上肢芽，两天后出现下肢芽。 鸡胚在发育至15-20对体节时，肢芽开始发生。第一个迹象是体节中胚层细胞沿胚胎长轴的增殖，逐渐在表皮下形成加厚的细胞团，这部分细胞团分离出来形成一团间质细胞并迁移、贴附于表皮的内表面。 实验证明，细胞增殖的起始阶段好像受附近中肾的调节。 侧板中胚层的增厚和随后表皮下一团间质的形成可能与两对附肢的位置紧密相关。 在羊膜动物中，这种增厚和间质的聚集沿身体的整个长度形成一条纵行的嵴，称为乌尔夫氏嵴。此嵴的前后两处的增厚部分增殖较快，逐渐发育为前肢和后肢，中间相对较薄的部分此后消失。,二、附肢（四肢）的早期发育,鸡胚胎的肢芽。 孵化后第三天胚胎的侧面出现肢芽 肢芽由中胚层构成，其上覆有外胚层，肢芽的边缘是增厚的外胚层嵴，即顶外胚层嵴。,肢体细胞的来源 肌肉细胞前体：来源于体节的轴下生肌区； 骨细胞前体：侧板中胚层的体细胞区间质细胞。 肢芽的形成受来自于中间中胚层如肾前体的信号诱导，移去中肾或在中肾与肢芽细胞间插入不透膜可使肢芽停止增大。,两栖类胚胎中附肢由中胚层起源的图解,新的研究表明，侧板中胚层中将要产生肢体间质细胞的细胞分泌的FGF10诱导了肢芽的形成。,前肢芽和后肢芽的成软骨细胞对信号因子的反应及纤粘连蛋白的沉积方式不同,三、前肢和后肢发育机制有所不同,Tbx5和Tbx4分别指定了前肢芽和后肢芽的发育,人的Holt-Oram Syndrome表现为心脏和手的畸形，而脚是正常的，其TBX5基因发生了突变,前肢和后肢的特化,Gain-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。 Loss-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,人的Holt-Oram Syndrome表现为心脏和手的畸形，而脚是正常的，其TBX5基因发生了突变,FGF诱导的肢体类型决定于肢芽是表达Tbx5或Tbx4,Tbx4的异位表达可改变FGF的诱导结果。,一、顶端外胚层嵴(apical ectodermal ridge, AER)的形成,AER：中胚层间质细胞诱导其外侧的外胚层细胞形成突起结构，位于肢芽的远端边缘背腹交界处，是肢体生长的主要信号中心。 AER的作用： 1. 维持其内侧的间质细胞的增生 能力，使肢体沿Proximal Distal轴线生长。 2. 维持AP轴线控制因子的表 达。 3. 与控制AP和DV轴线的因 子互作，以指导细胞的分化。,第二节 肢体近远端轴线的图式形成,AER的形成依赖于背部外胚层和腹部外胚层的互作 证据：将一个肢芽的腹部外胚层细胞移植到另一肢芽的背部外胚层中，将产生一个额外的AER；在肢芽外胚层背部化的突变体上，因缺少腹部外胚层而不能生成AER，造成无肢体。,二、AER介导肢体发育中不同胚层间的相互诱导作用,肢芽形成中的分子互作模型,AER在肢芽沿PD轴线生长中的作用,AER维持间质细胞的分裂能力、防止其形成软骨：去除AER中将分化为脚趾间组织的细胞，将形成额外的脚趾。,鸡的两套趾症源于肢芽上有两个AER,用鹌鹑的AER取代无肢体鸡的AER 可以导致正常的肢体发育,AER对PD轴线影响的 分子基础是FGF因子,Summerbell等制定了在鸡胚附肢发育中近-远轴建立的渐进带模型:在附肢内中胚层细胞的命运是由它们在附肢顶端被称为渐进带的区域中保留多长时间决定的。 首先被推离渐进带的细胞脱离AER的影响，将形成附肢最近端的成分，而在渐进带中保持较长时间的细胞将形成附肢较远端的成分。 说明了：中胚层细胞一旦离开渐进带和脱离AER的影响，其命运就被不可逆的固定了；一个细胞的位置信息是由其受AER影响的时间长短决定的。 不同结果-分歧：可能由于胚胎发育时间的影响。,三、肢体远近轴图式的形成依赖于渐进区的发育,Progress Zone (PZ) 识别和决定肢体的PD轴生长程度 证 据 一,Progress zone是指AER内保持了旺盛分裂能力的间质细胞区域。 不同时间离开progress zone的细胞分化为不同的软骨。证据之一是，在不同时间去除AER，所形成的肢体骨不同。,肢体的P-D极性决定于PZ而非AER：证据二,老幼肢体间AER的互换不会出现类似现象。,老幼肢体间PZ细胞的互换改变PD极性。,Early bud PZ to late bud,Late bud PZ to early bud,间质细胞离开PZ区的时间决定了其分化命运,利用突变体研究AER和PZ相互作用,四、Hox基因在决定肢体PD轴线中的作用,Hox基因缺陷导致肢体相应部位的缺失,人的多指症也可能与Hox基因的异位表达有关,蝾螈肢体的再生,两栖类动物肢体被截除后，可以重新长出被截区的部分。 肢体切除后的612小时内，剩余部分的表皮细胞移向窗口表面形成单细胞层表皮，再通过细胞增殖形成顶端外胚层帽(apical ectodermal cap). 在随后的4天中，顶端外胚层帽下的骨细胞、软骨细胞、成纤维细胞、肌细胞、神经细胞发生去分化作用，构成再生胚基(regeneration blastema),继续增殖、分化形成肢体结构。,2019/8/24,33,可编辑,肢体的再生分神经依赖性和非神经依赖性两个阶段,神经细胞释放的GGF、运铁蛋白、FGF2等可能有助于细胞的去分化,截肢位置信息的识别： 顶端外胚层帽识别截口近端的位置信息，并重建其远端的位置信息,不同部位的再生胚基不同的重建位置信息,不同部位的再生胚基细胞表面的粘附特性不同(远端更强)，这种粘附性质可能是PD位置信息的一部分,Retinoic acid可以改变再生肢体的位置信息，使胚基近端化(proximalizing),第三节 肢体AP轴线的图示形成,鸡的肢芽尚未形成之前，其AP和DV轴线就已经确定。(移植的肢芽的极性不受受体胚胎极性的影响),极性决定区(zone of polarizing activity, ZPA)位于后部间质细胞区,将额外的ZPA移植到肢芽的前端可导致远端形成镜像对称结构,Sonic Hedgehog的表达部位与ZPA吻合,Sonic Hedgehog具有ZPA活性的实验证据,ZPA活性决定AP轴线的信号传导机制,第二种模型的证据：SHH可诱导BMP2的产生，BMP2再诱导其它因子的合成。,SHH的下游基因是Hoxd基因,AER中的信号分子对于激活和维持SHH的表达起重要作用,AER中的FGF8不能诱导前部合成SHH，可能与Hoxb8的表达有关,第四节 肢体DV轴线的图式形成,在背部外胚层特异性表达的Wnt-7a诱导背部间质细胞合成转录因子Lmx-1，后者再控制肢芽背部特异性基因的表达。Lmx-1在背、腹间质细胞中都表达，导致双被部结构。 Engrailed在小鼠肢芽腹部外胚层表达，其突变体的肢芽腹部外胚层可表达Wnt-7a，从而形成双背部结构。,一、肢体背腹轴图式的确定,敲除Wnt-7a的小鼠的脚掌有镜像对称的双腹部结构,敲除Wnt-7a的小鼠的脚掌缺少后部趾，说明其也影响AP极性,肢体的三个轴在图式发生过程中相互影响。 肢体三个轴的图式形成过程存在相互依赖关系。,二、三个轴在图式形成过程中的相互影响,第五节 附肢中组织类型的决定,中央浓缩的核区细胞最终分化成软骨，外面包围着血管层，向外是无血管区，变为结缔组织、皮肤的真皮和血管区周围的肌肉群。 具有其独特的形成模式。 体外实验证明，组成附肢芽的细胞是多潜能的。,一、肢体远端结构的形态发生-细胞凋亡与趾的形成,两栖类动物的趾的形成依赖于趾区和趾间区生长速度的差异,决定细胞死亡的是间质细胞，而不是外胚层细胞。,在早期肢芽中，BMP2、BMP4、BMP7在趾间组织中表达，促进趾间组织的凋亡，趾区表达的noggin可拮抗BMP。 但在较后期的肢体中，BMP促进间质细胞分化为软骨。,骨形成蛋白BMP2、BMP7、GDF5在关节形成中的作用,在noggin-/-小鼠胚胎中，BMP7使所有间质细胞转变为软骨细胞，导致无趾关节；含GDF5突变的人无趾关节，GDF5和BMP2的作用可能是杀死关节间的间质细胞或使其快速分化。,BMP7,BMP2,GDF5,二、肢体关节的形态发生,三、肢体的进化,3.64亿年前泥盆纪的四肢动物的肢体近端结构与鱼鳍相似,在鱼鳍和鸡后肢中Hox基因的表达谱相似,不同物种的肢体骨结构是相似的,决定肢体轴线的分子机制在不同物种上是保守的,第六节 人四肢发生的过程,第26天，胚胎腹侧出现上肢芽，两天后出现下肢芽，肢芽成为将来的上肢和下肢，肢体先呈浆状，然后伸长，末端出现凹沟，沟成为膜状蹼，蹼以后消失，第52-55天成为分开的指（趾）.,人类四肢常见先天性畸形,种类甚多，可发生在肢体的上、中、下各段。 一类是肢体缺失，包括横向和纵向肢体缺失。前者即先天性短肢，如无臂、无手、无指等、下肢亦然。纵向肢体