肺系统的发育遗传学

1,肺系统的发育遗传学（上）,指导老师：王玉凤 主讲人：柯其昌,Developmental Genetics of the Pulmonary System,2,一、研究背景二、Lung specification and symmetry（肺的特化和对称性）三、Branching morphogenesis（分枝的形态发生）四、Sacculation and epithelial cell differentiation（囊形成和上皮细胞的分化）五、Mesenchymal differentiation and vascular development(肺间质的分化与血管发育)六、Secondary crest elongation and alveogenesis（第二嵴的延伸与肺泡化）七、Transition to air breathing（过渡到空气呼吸）,内容简介,3,肺的结构与功能浅析 肺是高等动物进行呼吸作用的器官。由大量的气管，有气体交换功能的肺泡以及肺间质构成。 人的支气管（第1级）至肺泡约有24级分支。支气管经肺门入肺，分为叶支气管（第2级）。叶支气管经数十次分支为终末细支气管（第1416级）。从叶支气管至终末细支气管为肺内的导气部，是空气进入肺到达气体交换部位的同道。终末细支气管以下的分支为肺的呼吸部，包括呼吸细支气管（第1719级）、肺泡管（第2022级）、肺泡囊（第23级）和肺泡（第24级），是肺行使气体交换功能的场所。 肺表面覆以浆膜（胸膜脏层），表面为间皮，深部为结缔组织。肺组织分实质和间质两部分，实质即肺内支气管的各级分支及其终端的大量肺泡，间质为结缔组织及血管、淋巴管和神经等。,一、研究背景,4,哺乳动物的肺是作为腹侧前肠内胚层的侧芽（lateral bud）发育而来的，它位于发育中的肝脏和胸腺之间。肺的发育在人类中起始于怀孕期第5周，在小鼠中起始于怀孕期第9天，而且它被认为经历了四个不连续的、随后的阶段：pseudoglandular（假腺期）, canalicular（小管期）, saccular（囊状期）以及 alveolar（肺泡期）。见下图：,FIGURE 41.1 A timeline for human lung development. Mammalian lung development occurs in discrete morphologic stages. The name and timing of the individual stages are shown, along with a general description of the cellular and molecular processes that occur during the different stages.,动物肺发育的四阶段,5,山羊胎儿肺的发育分为 5个时期：胚胎期（3-5周）：肺芽分支形成主支气管,主支气管长度不断增长并萌芽出叶支气管。腺状期（6-12周）：以支气管树发育为主；终蕾呈腺状，终蕾上皮细胞游离面可见短小的微绒毛；线粒体、 粗面内质网及核糖体随着胎龄增加而逐渐增多，它们均位于细胞顶部。,6,小管期（13-14周）：以呼吸部发育为主，原始肺泡开始形成；终蕾腺状结构逐渐消失，终蕾上皮细胞由高矮不等的单层柱状上皮逐渐演变为立方形的原始肺泡上皮；囊状期(第15周)：呼吸部发育显著，肺内细支气管及其末端呈现出“充气”状态；部分原始肺泡上皮细胞分化为扁平的肺泡型细胞和立方形的肺泡型细胞；型细胞内出现嗜锇小体。肺泡期(16-22周)：以肺泡的形成和分化为主,更多的肺泡上皮分化为扁平的肺泡型细胞和立方形的肺泡型细胞。,7,这些阶段是从形态学上确定的，而且每个阶段具有结构上、细胞上和调控上不同的特征。人类中在肺发育起始的前30周内，侧芽长成分支的管状结构，这表明一种由导气管（conducting airways）组成的腺体产生了。直到人类怀孕期第36周或小鼠出生后第4天，这些导管以不能进行有效气体交换的囊结尾。由于肺的未成熟在此时或之前出生的个体会具有增加的发病率和死亡率。在怀孕期的最后几周和出生后的最初几年，这些原始的囊（sacs）经历了一个形态学的过程而发育成为成熟的肺泡（mature alveoli）。此过程由于侧芽的形成和延伸或囊外面伸出的脊而导致肺表面积的大幅度增加。,8,多数的成人肺疾病涉及到了肺泡腔（alveolar space）的破坏。因此，对肺发育调控的透彻理解，包括肺泡的形成和维护，能够鉴别出一种方法来促进肺成熟及支持肺功能的再生。在啮齿类动物中，与在人类整个怀孕期看到的相比，肺的发育开始于孕中期且以一种延迟的方式进行。事实上，在啮齿动物中相当数量的肺成熟（lung maturation），包括肺泡化（alveogenesis）的整个过程，发生于出生后。人、绵羊和山羊胎儿至出生时肺的发育已基本完善，处于肺泡期；而兔、大鼠和小鼠的胎儿至出生时肺的发育尚处于囊状期。肺泡表面上皮细胞的分化和气血屏障的形成是肺发育的形态学标志。,9,哺乳动物肺发育过程中不同的形态学事件和调节机制之间的联系与脊椎动物肢体发育和黑腹果蝇幼虫气管发育具有相似之处。这些形态学过程的调节已被充分地确定了（Johnson et al., 1994; Tickle, 1999; Capdevila and Izpisua Belmonte, 2001;Ghabrial et al., 2003; Cabernard et al., 2004)，而且它已成为鉴别哺乳动物肺发育的许多机制的基础。 本章将集中于阐述控制肺形成的起始（the initiation of lung formation），导气管分支的形态发生（airway branching morphogenesis），成囊作用（sacculation），呼吸道上皮细胞的分化（respiratory epithelial differentiation）以及肺泡形成（alveolar formation）的主要调节机制。,10,二、LUNG SPECIFICATION AND SYMMETRY,肺是在发育的前肠内胚层（foregut endoderm）中经过一种还未完全确定的过程特化出来的，但它需要HNF3,Gli,Shh和RA (retinoic acid ,视黄酸) 信号(Ang and Rossant,1994; Motoyama et al.,1998; Litingtung et al.,1998; Mendelsohn et al.,1994; Desai et al.,2004)。但是在缺乏FGF （fibroblast growth factor，成纤维细胞生长因子）-1或其受体FGF受体 (FGFR)-2 时肺发育不全(Peters et al., 1994; Min et al., 1998; Sekine et al., 1999; DeMoerlooze et al., 2000)。尽管HNF3特化了前肠的完成，但是调节肺芽起始（lung bud initiation）的其他分子似乎组成了一种调控模块，其中Gli充当Shh途径的调节子，RA促进了FGF信号。虽然气管畸形（tracheal malformations）在人类中并非罕见，但是这些缺陷的遗传基础目前还未充分确定。,11,哺乳动物的肺是明显地不对称的，其叶片（lobes）数目在左肺（人类3个，小鼠1个）和右肺（人类2个，小鼠4个）是不同的。肺对称性的特化是通过与被用来定义整个机体左右轴相同的机制发生的；主要是TGF- (transforming growth factor-，转化生长因子 )相关的分子Nodal, ACVR2, Lefty-1和Lefty-2以及同源基因（homeobox gene）Pitx2。最近的数据表明Fog2/GATA信号对于合适的肺叶分隔（lobar septation）是必需的(Ackerman et al.,2005);这也暗示了Fog2作为人类肺发育不全（lung hypoplasia）和先天性膈疝的一种潜在的遗传决定因素。,12,三、BRANCHING MORPHOGENESIS,肺发育是一个由多种生长因子协同调控的复杂过程，分枝化形态发生是肺发育早期的主要过程，初始的气道组织持续生长、反复分枝，形成复杂的树状气道系统。此后，气道末端膨大成终末囊，再进一步发育形成肺泡结构。,13,在过去的十年中，遗传分析已经使人们了解了导气管分枝的形态发生的调节机制。很多调节途径促成了此过程，包括EGF（表皮生长因子），TGF-（-转化生长因子）/ BMP (bone morphogenetic protein ，骨形态发生蛋白)以及FGF（成纤维细胞生长因子）信号途径。尽管EGF受体突变型显示出分枝的严重减少和迟缓的肺发育(Warburton et al.,1992; Miettinen et al., 1997)，但这也许是细胞增殖减少的结果(Goldin and Opperman,1980)。,14,BMP-4和Smad在肺发育调控中的作用,BMP4是一种在发育过程中起重要的生长因子，参与轴向信息的确立和多种器官的形成。BMP4通过Smad1、Smad5和Smad8这三种细胞内信号分子传递到细胞核内，控制效应基因的表达。肺发育过程中BMP4始终表达于发育中的肺的远端，控制肺组织沿远近轴的分化，抑制BMP4导致末梢肺组织发育不良，BMP4调控肺组织发育地具体机制仍有待进一步深入研究。,15,BMP-4似乎参与了与FGF-10相关的分枝形态发生的信号途径，从而特化了分枝的起始和生长位置。BMP-4是在生长的芽的尖端的上皮细胞中表达的，而与其紧靠的是附近间充质（mesenchyme）FGF-10的表达(Bellusci et al., 1996)。BMP-4也许是通过促进胞外基质分子，比如纤连蛋白，其充当形成分枝裂缝（branching clefts）的物理障碍 (Sakai et al.,2003)的聚集来抑制了延伸，而促进了分枝(Weaver et al.,2000)。最近数据表明BMP-4能够对促进分枝起积极作用(Bragg et al.,2001)。,16,胚胎肺发育过程中Smda1以一种动态模式始终表达于末梢肺组织，在胚胎肺发育的特定阶段，肺间质之中的平滑肌细胞和成肌纤维细胞表达Smda1，间质中的Smda1可能与这两类细胞的分化相关。Smad1在胚胎肺发育过程中起着极为重要的作用，在胚胎肺发育早期Smad1参与肺分枝化形态发生的调控，是气道分枝化的必需因子，在胚胎肺发育的中后期，Smdal与末梢肺组织的发育，特别是型和型上皮细胞正常分化相关。Smad1所介导的BMP4通路的信号，是维持小鼠肺发育早期分枝化形态发生所必需的，降低Smda1的表达可抑制气道上皮组织细胞的增殖和分化。,17,FGF在肺发育调控中的作用,BMP-4和FGF-10在协调分枝的形态发生上起重要作用，它能特化芽/小管（bud/tubule）形成的的时间和位置。Sutherland et al.(1996)是第一个鉴定FGF信号在分枝形态发生中发挥重要作用。用黑腹果蝇幼虫的气管发育作为模式系统，他们鉴定了果蝇FGF配体及其受体的动态表达。此系统的激活对于促使小管延伸和分支整合是必需的。在小鼠中详细的研究已表明此调节过程的进化保守性，其中FGF-10 和 FGFR-2分别充当相关的配体和受体(Bellusci et al.,1997)。其实，FGF-10在啮齿动物肺移植培养中能促进上皮小管延伸的方向(Park et al., 1998)。,18,FGF信号通路的细调受控于Sprouty-2和-4 以及Shh 途径。Sporty通过抑制受体酪氨酸激酶活性限制了FGF信号途径的作用(Mason et al.,2006)，因此限制了芽生长或限制了芽分枝的位置。它们导致肺分支形态发生的潜在机制最初在研究果蝇中意识到了(Hacohen et al.,1998)。在哺乳动物中，抑制Sprouty活性会导致体外分枝的增加(Tefft et al., 1999)，而过度表达则导致了体内分枝的减少(Mailleux et al., 2001; Perl et al., 2003)。,19,像Sprouty一样，Shh通过在芽尖抑制FGF信号而限制了芽延伸。在缺乏Shh时，分枝的模式受到了严重破坏(Pepicelli et al.,1998)。同样，Shh的异位表导致了肺发育的异常(Bellusci et al.,1997)。Hip1能够和Shh相互作用而抑制Shh的功能，Hip的不足会导致Shh活性的增加及分枝的减少(Chuang et al.,2003)。,20,四、SACCULATION AND EPITHELIAL CELL DIFFERENTIATION,在人类26周的怀孕期或小鼠17.5天的胚胎期内，肺经历了囊形成的过程，这极大地改变了肺的末端结构。囊形成的显著性特征是末端导气管上皮细胞的扁平化。此过程是受很多因素调节的，比如GATA-6, Nkx2.1, HNF3, C/EBPa, glucocorticoid hormones（糖皮质激素）和FGFs (Cardoso, 2000)。,21,上皮细胞近端-远端轴（proximaldistal axis）的图式形成是建立在囊形成之前的，其中BMP-4起到了一种重要的调节作用(Weaver et al.,1999)。BMP-4也许参加了对维持发育中肺上皮细胞必需的信号途径，且其依赖于SPC（surfactant protein C，表面活性蛋白C）的表达。此外，抑制BMP-4会促进由CCSP(Clara cell secreto