脊椎动物肢体的发生课件

1、脊椎动物肢体的发生1 5.4 5.4 脊椎动物肢体的脊椎动物肢体的 发生发生 脊椎动物肢体的发生2 第一节第一节 脊椎动物附肢的发育脊椎动物附肢的发育 n脊椎动物的附肢是一个极其复杂的器官，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每一块骨和肌肉的位置都被精密地组织在 一起。一起。附肢在三个基本轴上是不对称的，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但左前肢总是和右前肢呈镜面对称。 n脊椎动物的附肢都是由体壁中胚层和外部脊椎动物的附肢都是由体壁中胚层和外部 的表皮共同组成的的表皮共同组成的。 脊椎动物肢体的发生3 孵化10天的完整鸡翅标本，

2、示三个发育轴：近侧-远 侧轴、前后轴及背腹轴。 脊椎动物肢体的发生4 一、肢芽的形成一、肢芽的形成 附肢场的形成：附肢场的形成：Hox基因和视黄酸基因和视黄酸RA n脊椎动物的附肢在起源上是由胚胎体壁向脊椎动物的附肢在起源上是由胚胎体壁向 外生长形成的外生长形成的，主要是由来自中胚层的疏，主要是由来自中胚层的疏 松间质形成的松间质形成的中央核中央核，以及来自外胚层的，以及来自外胚层的 表皮表皮两大部分组成。两大部分组成。 n附肢的原基称为附肢芽（附肢的原基称为附肢芽（limb bud）。附肢。附肢 芽形成的位置在每一物种是恒定的，由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

3、的水平决定。基因沿身体前后轴表达的水平决定。 脊椎动物肢体的发生5 鸡胚胎的肢芽。鸡胚胎的肢芽。孵 化后第三天胚胎的 侧面出现肢芽 脊椎动物肢体的发生6 n许多脊椎动物胚胎中的许多脊椎动物胚胎中的预定附肢区预定附肢区 （prospective limb area）已被定位。）已被定位。能形能形 成一个附肢的所有细胞，称为附肢场成一个附肢的所有细胞，称为附肢场 （limb field），包括位于中央的、产生附，包括位于中央的、产生附 肢本身的中胚层细胞（附肢盘，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以及形成周围的躯干组织和肩带/腰带的细腰带的细 胞。胞。

4、n附肢场起初具有调节失去或增加部分附肢附肢场起初具有调节失去或增加部分附肢 的能力的能力，附肢场中的每个细胞都能被指令，附肢场中的每个细胞都能被指令 形成附肢的任意一部分。形成附肢的任意一部分。 脊椎动物肢体的发生7 美西螈（美西螈（Ambystoma maculatum）的预定前肢场）的预定前肢场 脊椎动物肢体的发生8 二、附肢的早期发育 1 附肢发育中外胚层和中胚层间的相互作用 n附肢发育起始于肢场侧板中胚层（四肢骨 的前体）和体节中胚层（四肢肌肉的前体） 间质细胞的增殖。 n体节中胚层细胞沿胚胎长轴的增殖，逐渐 在表皮的下面形成厚的间质细胞团，可能 与两对附肢形成的位置有关。 脊椎动物肢

5、体的发生9 脊椎动物肢体的发生10 n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）。 n肢芽形成的信号是由形成预定附肢间质细 胞的侧板中胚层细胞提供的，这些细胞分 泌的FGF8能够启动上皮和中胚层细胞之间 的相互作用。含有FGF8的磁珠（bead）异 位放置于上皮下方，会诱导出额外的肢芽。 脊椎动物肢体的发生11 附肢的向外生长涉及AER和中胚层间持续的 相互作用。 n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。 n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

6、在依赖于位于其 下方的中胚层。 脊椎动物肢体的发生12 新的研究表明，新的研究表明，侧板中胚层中侧板中胚层中将要产生肢体间质将要产生肢体间质 细胞的细胞分泌的细胞的细胞分泌的FGF8诱导了肢芽的形成。诱导了肢芽的形成。 脊椎动物肢体的发生13 顶端外胚层嵴顶端外胚层嵴(apical ectodermal ridge, AER)的形的形 成成 AER：中胚层间质细胞诱导：中胚层间质细胞诱导 其外侧的外胚层细胞形成突起结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界处，是肢体生长的主要信号中 心。心。 AER的作用：的作用：

7、1. 维持其内侧的间质细胞的增生维持其内侧的间质细胞的增生 能力，使肢体沿能力，使肢体沿Proximal Distal轴线生长。轴线生长。 2. 维持维持AP轴线控制因子的表轴线控制因子的表 达。达。 3. 与控制与控制AP和和DV轴线的因轴线的因 子互作，以指导细胞的分化。子互作，以指导细胞的分化。 脊椎动物肢体的发生14 AER的形成依赖于背部外胚层和腹部外胚层的互作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，将产生一个额外的中，将产生一个额外的AER；在肢芽外胚层背部化

8、的突变体上，因缺；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少腹部外胚层而不能生成AER，造成无肢体。，造成无肢体。 脊椎动物肢体的发生15 AER中中FGF8的表达是肢体生长所必需的的表达是肢体生长所必需的 脊椎动物肢体的发生16 肢芽形成中的分子互作模型肢芽形成中的分子互作模型 脊椎动物肢体的发生17 2.肢体近-远端发育的实现 n主要是AER和肢芽间质细胞相互作用的结 果。 脊椎动物肢体的发生18 AER在肢芽沿在肢芽沿PD轴线生长中的作用轴线生长中的作用 说明说明AER是维持间质是维持间质 细胞分裂、推动肢体细胞分裂、推动肢体 向外生长所必需的向外生长所必需的 说明说明

9、AER影响影响A-P轴轴 线线 说明间质细胞决定了说明间质细胞决定了 肢体的类型肢体的类型 说明间质细胞是维持说明间质细胞是维持 AER所必需的所必需的 二、肢体近远端轴线的生成二、肢体近远端轴线的生成 脊椎动物肢体的发生19 n附肢发育中至少要求三种类型的外胚层和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中胚层间的相互作用：第一，中胚层起始：第一，中胚层起始 附肢芽向外生长和形成附肢芽向外生长和形成AER；第二，；第二，AER 进一步刺激肢芽的向外生长以及肢芽中胚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；第三，附肢芽中胚层提层的增殖和分化；第三，附肢芽中胚层提 供保

10、持供保持AER所必须的刺激。所必须的刺激。 脊椎动物肢体的发生20 AER对对PD轴线影响的轴线影响的 分子基础是分子基础是FGF因子因子 脊椎动物肢体的发生21 由同源基因决定前后轴和指的特性 nHoxD基因家族（Hoxd-9到Hoxd13）的表达 模式在小鼠附肢芽的后部边缘是重叠的。 这意味着在后部边缘产生小指的细胞表达 所有这些基因，而在前部边缘形成拇指的 细胞只表达Hoxd-9。显然，在不同Hox-D基 因的表达中存在一个编码特化前后指的模 式。 脊椎动物肢体的发生22 Hox基因在决定肢体基因在决定肢体P PD D轴线中的作用轴线中的作用 脊椎动物肢体的发生23 Hox基因缺陷导致肢

11、体相应部位的缺失基因缺陷导致肢体相应部位的缺失 脊椎动物肢体的发生24 人的多指症也可能人的多指症也可能 与与Hox基因的异位基因的异位 表达有关表达有关 脊椎动物肢体的发生25 三、肢体三、肢体AP轴线的确定轴线的确定 鸡的肢芽尚未形成之前，其鸡的肢芽尚未形成之前，其AP和和DV轴线就已经轴线就已经 确定。确定。(移植的肢芽的极性不受受体胚胎极性的影响移植的肢芽的极性不受受体胚胎极性的影响) 脊椎动物肢体的发生26 n肢体前后方的决定来自于早期就存在于肢肢体前后方的决定来自于早期就存在于肢 芽后侧的活性极化区（芽后侧的活性极化区（ZPA）。）。 n已有的结果表明，已有的结果表明，Sonic

12、hedgehog基因的基因的 表达存在于表达存在于ZPA区域。区域。 脊椎动物肢体的发生27 极性决定区极性决定区(zone of polarizing activity, ZPA)位于后部间质细胞区位于后部间质细胞区 脊椎动物肢体的发生28 Sonic Hedgehog的表达部位与的表达部位与ZPA吻吻 合合 脊椎动物肢体的发生29 将额外的将额外的ZPA移植到肢芽的前端移植到肢芽的前端 可导致远端形成镜像对称结构可导致远端形成镜像对称结构 脊椎动物肢体的发生30 4.背腹轴向上的决定 n在鸡翅中，沿背腹轴有一很清晰的图式。 背腹轴的组成部分是由早期鸡胚胎预定肢 芽区域的外胚层决定，并在背腹

13、轴之间发 育形成顶外胚层嵴。 n在突变小鼠中控制着脊椎动物肢的背腹轴 的基因已经被确定。 Wnt-7a基因在肢背部 中胚层图示形成中起到关键作用。 脊椎动物肢体的发生31 外胚层控制发育中肢的背腹轴图式的形成。外胚层控制发育中肢的背腹轴图式的形成。Wnt-7a在背部外胚层中在背部外胚层中 表达，而表达，而Engrailed基因在腹部外胚层中表达。基因在腹部外胚层中表达。lmx-1基因在背中胚基因在背中胚 层中被层中被Wnt-7a诱导表达，并且参与背部结构的确定。诱导表达，并且参与背部结构的确定。 脊椎动物肢体的发生32 敲除敲除Wnt-7a的小鼠的脚掌有镜像对称的双腹部结构的小鼠的脚掌有镜像对

14、称的双腹部结构 敲除敲除Wnt-7a的小鼠的脚掌缺少后部趾，说明其也影响的小鼠的脚掌缺少后部趾，说明其也影响AP极性极性 脊椎动物肢体的发生33 ZPA活性决定活性决定AP轴线的信号传导机制轴线的信号传导机制 第二种模型的证据：第二种模型的证据： SHH可诱导可诱导BMP2的的 产生，产生，BMP2再诱导其再诱导其 它因子的合成。它因子的合成。 脊椎动物肢体的发生34 5.前后肢体的区分 n近年来发现，鸡中Hoxc-4，Hoxc-5表达在 翅芽中，Hoxc-9，Hoxc-10，Hoxc-11表达 在足中。 n小鼠tbx5基因表达在前肢中，tbx4基因表达 在后肢中 脊椎动物肢体的发生35 前肢

15、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 五、前肢和后肢发育机制有所不同五、前肢和后肢发育机制有所不同 脊椎动物肢体的发生36 Tbx5和和Tbx4分别指定了前肢芽和后肢芽的发分别指定了前肢芽和后肢芽的发 育育 人的人的Holt-Oram Syndrome表现为心脏和手的表现为心脏和手的 畸形，而脚是正常的，其畸形，而脚是正常的，其TBX5基因发生了突变基因发生了突变 脊椎动物肢体的发生37 FGF诱导的肢体类诱导的肢体类 型决定于肢芽是表型决定于肢芽是表 达达Tbx5或或Tbx4 脊椎动物肢体的发生3

16、8 Tbx4的异位表达的异位表达 可改变可改变FGF的诱导的诱导 结果。结果。 脊椎动物肢体的发生39 6、细胞死亡与指和关节的形成、细胞死亡与指和关节的形成 n脊椎动物附肢中特定细胞的死亡是可遗传脊椎动物附肢中特定细胞的死亡是可遗传 的的程序性细胞死亡程序性细胞死亡，是进化过程中经自然，是进化过程中经自然 选择形成的。选择形成的。 n细胞死亡在指细胞死亡在指/趾的成形过程中，特别是关趾的成形过程中，特别是关 节形成和手指的分离中起着重要的作用。节形成和手指的分离中起着重要的作用。 脊椎动物肢体的发生40 鸭胚和鸡胚后肢原基中细胞死亡模式的比较。鸭胚和鸡胚后肢原基中细胞死亡模式的比较。 脊椎动

17、物肢体的发生41 鸡胚趾间细胞的程序性死亡信号可能由鸡胚趾间细胞的程序性死亡信号可能由BMP发出，封发出，封 阻阻BMP的受体将会阻止这些细胞的程序性死亡。的受体将会阻止这些细胞的程序性死亡。 noggin expression dominant negative BMP receptor 脊椎动物肢体的发生42 n在附肢的正常发育过程中，在附肢的正常发育过程中，BMP既可以诱既可以诱 导间质细胞发生凋亡，也可以刺激它们分导间质细胞发生凋亡，也可以刺激它们分 化为软骨形成细胞，这要取决于它们所处化为软骨形成细胞，这要取决于它们所处 的发育阶段。的发育阶段。 n在关节形成过程中，在关节形成过程中

18、，BMP7可以促进软骨的可以促进软骨的 形成，而形成，而BMP2和和GDF5在骨之间的位置表在骨之间的位置表 达，促进关节的形成。达，促进关节的形成。 脊椎动物肢体的发生43 BMP蛋白可能参与了软骨的稳定和关节的形成过程。蛋白可能参与了软骨的稳定和关节的形成过程。 鸡肢形成晚期，鸡肢形成晚期，BMP7（A）和）和BMP2（B）的表达。）的表达。 脊椎动物肢体的发生44 Noggin蛋白的作用。蛋白的作用。C，16.5天正常小鼠前肢中天正常小鼠前肢中 GDF5在关节形成处表达；在关节形成处表达； D，Noggin缺陷型突变体缺陷型突变体 小鼠中不表达小鼠中不表达GDF5，也不形成关节。，也不形

19、成关节。 脊椎动物肢体的发生45 5.5 5.5 性腺的发育性腺的发育 脊椎动物肢体的发生46 动物的性别决定模式动物的性别决定模式 n1.通过遗传物质的分配来决定性别通过遗传物质的分配来决定性别 n2.在同样的遗传背景下，由环境来决定性别在同样的遗传背景下，由环境来决定性别 类型。类型。 n包括两个方面：包括两个方面：1.性腺的决定和发育性腺的决定和发育 n 2.附属性器官、特征及性附属性器官、特征及性 行为的建立。行为的建立。 脊椎动物肢体的发生47 ( (一一) )、哺乳动物的性别决、哺乳动物的性别决 定定 n关键的基因是由关键的基因是由X染色体上的染色体上的DAX1基因和基因和 位于位

20、于Y染色体上的染色体上的SPY基因。基因。 脊椎动物肢体的发生48 脊椎动物肢体的发生49 1.哺乳动物的初级性别决定哺乳动物的初级性别决定 n性腺发生的形态学变化性腺发生的形态学变化 n哺乳动物首先经历了一个无性别发育阶段哺乳动物首先经历了一个无性别发育阶段 （双潜能阶段），到第七周时在生殖嵴中（双潜能阶段），到第七周时在生殖嵴中 的上皮细胞向内增值形成生殖索，生殖干的上皮细胞向内增值形成生殖索，生殖干 细胞迁移进入，产生性别的分化。细胞迁移进入，产生性别的分化。 脊椎动物肢体的发生50 脊椎动物肢体的发生51 脊椎动物肢体的发生52 精巢发生的基因决定精巢发生的基因决定 nSRY基因具有2

21、23个氨基酸残基，可能是基 因转录调节因子。 n含有一个高移动性的DNA结合区，与DNA 结合后可以造成DNA链的弯曲变形。 n是启动精巢发育的关键基因。 脊椎动物肢体的发生53 SPY基因基因 SOX9 缺失会导致缺失会导致 个体死亡个体死亡 SF1 其缺失会是小其缺失会是小 鼠没有肾上腺，鼠没有肾上腺， 精巢的发育也退化精巢的发育也退化 脊椎动物肢体的发生54 卵巢发生的基因决定卵巢发生的基因决定 nDAX1基因编码一种膜上的核激素受体成分，并初步基因编码一种膜上的核激素受体成分，并初步 证实它特异表达于鼠胚的生殖嵴中。证实它特异表达于鼠胚的生殖嵴中。 nWNT4：是常染色体上的潜在的卵巢

22、决定基因是常染色体上的潜在的卵巢决定基因。小鼠。小鼠 Wnt 4在分化前的在分化前的XX和和XY生殖嵴中都表达，其后只生殖嵴中都表达，其后只 在在XX生殖腺中表达。生殖腺中表达。 n在在Wnt4-/-XX小鼠上，卵巢形成异常，其细胞表达小鼠上，卵巢形成异常，其细胞表达 Amh和睾丸酮等睾丸特异性标记。和睾丸酮等睾丸特异性标记。 nSry的作用可能是抑制生殖嵴中的作用可能是抑制生殖嵴中Wnt4的表达和促进的表达和促进 Sf1的表达。的表达。 脊椎动物肢体的发生55 2.哺乳动物的次级性别决定哺乳动物的次级性别决定 n哺乳动物次级性别决定，包括性附属器官、哺乳动物次级性别决定，包括性附属器官、 副

23、性特征、性行为等，发生于激素的作用。副性特征、性行为等，发生于激素的作用。 n若生殖腺在分化前被去掉，个体的发育表若生殖腺在分化前被去掉，个体的发育表 现出雌性的特征。现出雌性的特征。 n如果雄性激素靶组织受体表达失败，也就如果雄性激素靶组织受体表达失败，也就 会产生外表为雌性的雄性个体。会产生外表为雌性的雄性个体。 脊椎动物肢体的发生56 n指睾丸或卵巢形成后，由它们分泌的激素来影响指睾丸或卵巢形成后，由它们分泌的激素来影响 性器官的发育。性器官的发育。 在出现睾丸的胚胎中，中肾旁管在出现睾丸的胚胎中，中肾旁管(Mullerian duct) 退化，而中肾管退化，而中肾管(Wolffian duct)分化为输精管、分化为输精管、 附睾、精囊。附睾、精囊。 n在出现卵巢的胚胎中，中肾管退化，中肾旁管分在出现卵巢的胚胎中，中肾管退化，中肾旁管分 化为输卵管、子宫等。化为输卵管、子宫等。 脊椎动物肢体的发生57 脊椎动物肢体的发生58 5.5.2 果蝇的性别决定果蝇的性别决定 n果蝇的性腺发育和性别决定采取的也果蝇的性腺发育和性别决定采取的也 是染色体分配的方式。是染色体分配的方式。 n1.果蝇有常染色体和性染色体的区别，但是果蝇有常染色体和性染色体的区别，但是 他的性别是由他的性别是由X染