第十六章-脊椎动物心脏的发育PPT课件

1、脊椎动物心脏的发育12021/7/23 心脏是在脊椎动物发育过程中最早形成并执行功能的一心脏是在脊椎动物发育过程中最早形成并执行功能的一个系统。个系统。其胚胎心脏发育大致经历了心脏其胚胎心脏发育大致经历了心脏原基的原基的出现、出现、心管的形成、心脏的环化、心脏的分化成熟、房室分隔心管的形成、心脏的环化、心脏的分化成熟、房室分隔等阶段。等阶段。在这些阶段中任一环节出现偏差在这些阶段中任一环节出现偏差都会导致都会导致心脏心脏畸形畸形。22021/7/23第一节心脏原基发生第一节心脏原基发生32021/7/23一、一、生心区生心区 围心腔腹侧中胚层的心脏前体细胞局部集中形成一个两侧对称的索状的生心板

2、，继而中空形成一对平行的管状原基，即心脏原基( cardiogenic anlage)。 原肠胚早期，在脊索的影响和来自邻近内胚层的信号的诱导下，前侧板中胚层( lateral plate mesoderm)的祖细胞特化成心脏前体细胞，构成生心区( heart field)。上图示小鼠胚胎第7.5天(E7.5)和第8天( E8)初级生心区(深灰色)与次级生心区(浅灰色)。下图示鸡H.和H.第5期的初级生心区(黑色)和第14期的次级生心区(黑色)。1,2:咽弓42021/7/23 1.初级生心区 初级生心区( primary heart field)祖细胞最早出现在早期至中期的原肠胚，位于原条的

3、前中部。心脏祖细胞从原条向前侧方向移动形成初级生心区。初级生心区又称为“马蹄状带”或 “新月形心脏”,在鸟类和两栖类中，心脏祖细胞没有跨越中线，而是分布在两侧形成两个初级生心区。初级生心区形成原始心管并表达肌肉特异性蛋白。 原始心管在环化过程中延长，细胞不断地补充到流出管和流入口末端。这样，在环化过程中，房室槽、心房、流出口都添加在原始的直线型心管后面。 心管流入道部分的心肌细胞是从初级生心区的后续部分添加得来，而心管流出道部分的心肌细胞是来自次级生心区。52021/7/232.次级生心区 次级生心区( secondary heart field)位于脏壁中胚层与背部心系膜相连处的前肠板下面。

4、在环化过程中，补充次级心肌细胞使原始心管延长是一个重要的机制，其延长对房室分隔前流出和流入口的正确排列非常必要，如果延长出现间题，将导致心分隔缺陷和大动脉右移。62021/7/23AE显示了源自两个来源的心肌祖细胞及其对发育中的小鼠心脏的贡献。次级生心区以绿色显示，红色显示为源自初级生心区的心肌细胞。图A（E7.5）和E（E10.5）中显示了处于不同发育阶段，而BD中的面板则显示了E8-8.5处正在发育的小鼠心脏的侧视图。 72021/7/23A. Gastrulation（原肠胚形成） is the process by which the epiblast （外胚层）and hypobla

5、st（内胚层） layers of the bilaminar embryonic disc are transformed into the trilaminar embryonic disc, consisting of the three germ layers (ectoderm, mesoderm and definitive endoderm).母性的子宫内膜细胞滋养层羊膜腔卵黄囊腔 合胞体滋养层82021/7/23B. Gastrulation begins as the primitive streak, formed in the anterior epiblast on d

6、ay 15 of human development, develops a deep midline groove with a rounded primitive node situated at the cranial tip of the primitive streak. The primitive node contains a depression called the primitive pit. The primitive pit is continuous with the primitive groove. 原结原窝92021/7/23C. The first cells

7、 to migrate through the streak are endoderm progenitor cells （内胚层祖细胞）originating in the anterior epiblast. As the cells ingress into the primitive streak, they displace the hypoblast layer, forming the definitive endoderm. D. Later, more posterior waves of ingressing mesoderm progenitor cells form t

8、he mesoderm layer between the epiblast and the definitive endoderm（定形内胚层）. After mesoderm formation is complete, cell migration into the primitive streak ceases and the remaining epiblast layer is called ectoderm. 102021/7/23二、心脏中胚层 小鼠胚胎进入原肠期时(胚胎第6.5天)，原条( primitive streak)在上胚层后部中线近中心处开始形成， 与胚外中胚层(

9、extraembryonic mesoderm)祖细胞相邻，它在原肠期持续延伸，约在胚胎第7天(原条期中期) 到达心脏中胚层( cardiac mesoderm)和头部中胚层所在的区域。首先从上胚层迁移到新胚层的是胚外中胚层细胞，随后是心脏中胚层和头部中胚层细胞。 形成心管各部分的细胞通过原条依次内移，这一过程开始于原条期早期，而在原条期结束时基本完成，在此之后的几小时内，只有少量细胞通过原条的前端继续内移，形成心管的前部。112021/7/23心源性中胚层包含发展成心内膜或心脏内层的细胞群，以及形成心肌并产生心肌的第二群。 表面外胚层和侧板中胚层（即内脏中胚层）之间的交点被称为体壁层，而内脏

10、中胚层和下层内胚层之间的交点被称为脏壁层。脊索头间质体壁层脏壁层侧板中胚层122021/7/23心内膜前肠132021/7/23 细胞内移后随即形成了中胚层，随着原条上的细胞继续进入中胚层以及中胚层细胞的增殖，中胚层逐渐延展，到原肠期的第12h,小鼠的中胚层就已经盖了外胚层后下表面约2/3区域，其中心脏和头部中胚层占据了中胚层的外侧部分，靠近延伸中的原条前段。从原条中期至晚期，心脏中胚层细胞会沿胚胎侧翼从末端向前中方向迁移。小鼠原肠期心脏中胚层的这种移动在鸡和爪蝓的胚胎中也有发现。在小鼠的原条晚期，发育中的心脏中胚层已位于头部神经板下、中胚层的前侧近轴处。142021/7/23三、心脏细胞谱系

11、( cardiac cell lineage)心肌细胞群包含3种主要的细胞心房心肌细胞( atrial cardiomyocytes)、心室心肌细胞( ventricularcardiomyocytes)和心脏传导系统细胞( cardiac conduction system cells),这些细胞由各自的祖细胞发育而来。1.心内膜细胞和心肌细胞在心管形成之初，生心中胚层首先形成上皮样细胞层，在H.和H.第6期和第7期之前表达N型钙黏蛋白( cadherin)-依赖于钙的细胞黏着分子。随后这一层细胞会分成两个亚细胞群：大多数细胞仍然维持着上皮样细胞的形态，持续表达N型钙黏着蛋白，然后分化为心肌

12、细胞( cardiomyocytes);而较小的亚细胞群则减弱了N型钙黏着蛋白的表达，从初期的上皮样细胞层中分离出来，成为心内膜内皮层的祖细胞。152021/7/23 心管中心肌细胞和心内膜细胞的数量存在很大差异(约为18:1),这是因为生心区有两种发育方向已经受到限制的祖细胞大多数的前心肌细胞和少量的前心内膜细胞。目前有下列证据支持这 理论。第一，内皮细胞的定型发生在原肠期之前，并且与原肠胚( gastrulae)的形成无关，但心肌细胞的定型在原条早期仍未发生；第二，斑马鱼中存在只产生心肌细胞或心内膜细胞( endocardial cells)的囊胚细胞群，说明这两类心脏细胞的分离发生在中胚

13、层形成之前的囊胚( blastula)期。小鼠心肌和心内膜细胞都来自上胚层中前一后体轴两侧的近中心区域，这两种细胞的分离发生在中胚层形成之前、是由不同的祖细胞发育而来。162021/7/23 2.心房和心室 心肌细胞管收缩开始前，位于心肌层后端的心房心肌细胞与位于前端的已分化的心室心肌细胞在电生理学特性及收缩性蛋白的表达上就已经表现出显著差异。原条较前端的细胞大部分会形成心管的前部，而较后端的细胞则会形成心管的后部。这样的位置对应关系虽然不是绝对的，但仍然可以说明心室和心房细胞的分离发生在原肠期以前。生心中胚层前部的细胞只能形成心室心肌细胞，而位于后部的细胞则分化 形成心房心肌细胞；斑马鱼的心

14、房和心室心肌细胞在囊胚中期分离。由此可见，这两种心肌细胞谱系建立于中胚层细胞迁移到生心区以前，形成心室心肌细胞的细胞来自生心中胚层前部，生成心房心肌细胞的来自后部。172021/7/233心脏传导系统 细胞心管中所有的上皮状心肌细胞都在胚胎发育第2天之前分化为收缩性的肌细胞，产生兴奋的传导细胞由局部已分化的搏动的肌细胞形成，特别是那些分布在发育中的冠状动脉周围的肌细胞。浦肯野纤维只在与发育中的冠状动脉并列的肌细胞群中产生，并且始终与形成中的冠动脉血管网保持着密切的空间关系。182021/7/23四、心脏诱导 来自内胚层前部的诱导信号分子和BMP信号途径是心脏发生和早期发育过程中最重要的诱导调控

15、机制。鸡的内胚层和鼠的脏壁内胚层具有相似的心脏诱导( cardiac indution）。将鸡的外胚层的心脏祖细胞在内胚层存在的情况下培养，它将发育为心脏中胚层。在小鼠的脏壁内胚层和原条都存在时，第725天胚胎的生心中胚层在移植后能发育为心肌。192021/7/23 前内胚层对心脏的诱导有两个主要特征。第一，H、和H.第5期阶段的前内胚层的侧盘和中间部分都具有心脏诱导能力，前内胚层的一个重要功能是在胚内中胚层( intraembryonic mesoderm)创造出一个“生心区”,在其他物质的作用下促使该区域真正发育成心脏；第二，前内胚层的诱导作用发生在H和H第4期和5期，它的作用时间可能更早

16、，发生在内胚层和中胚层前体细胞在原条中还处于密切相联的H.和H第3期。202021/7/23第二节 心管发生212021/7/23 心管( heart tube)起源于生心板的血管生成细胞，这些血管生成细胞融合形成左右两个心内皮管，每个内皮管的前端是流出道，并与背部大动脉相连，后端是流入道。胚胎侧面和尾部的折叠压迫心管进入胸腔，使得这两个心内皮管纵向靠扰，然后融合成单个线性心管。222021/7/23一、斑马鱼心管的发生 斑马鱼在受精后5h,心脏前体细胞定位在胚胎整个腹侧区。在胚胎内卷后，心脏前体细胞向胚胎的轴 中线迁移，在5体节期到达将来发育成后脑的地方。在13体节期，这些心脏前体细胞分成了

17、前心室细胞和 前心房细胞。大约从19h开始，这些心脏前体细胞向后端融合形成了马鞍型结构，在19.5h,当前端细胞向 中线移动，马鞍型结构变成了心锥形结构，在心锥的中部和顶部是心室细胞，在它的基部是心房细胞、而心内膜细胞在心锥的最内层。然后心锥套叠成一根心管。232021/7/23二、鸡心管的发生 原肠胚期时，心脏前体在原始生心区定位，心管开始形成。在H.和H.第3期，心脏祖细胞在原条前1/3的 部分，即享氏结( Hensennde)的下面定位。另外与心脏形成相关的细胞在原条附近的外心层( epicardium)出 现。细胞开始分化，分别形成心房、心室和流出道。在H和H.第5期，心脏祖细胞在原条

18、另外一侧的侧板中胚 层中。在H.和H.第7期，心脏前体转移形成新月区( cardiac crescent),生心区融合。鸡心脏的发育开始于前 肠两侧一对管状心脏中胚层的融合。孵化25至30h,这对管状心脏囊从头部向尾部融合，形成一根心管。完成 融合以后，心管位于前肠的底部，从前端到后端，可以分为四个明显的区域：心球( bulbus cordis)心室( ventri- de)、心房( atrum)和静脉窦( sinus venous)。在H.和H第12期，心管形成，血液从静脉窦流向心球。242021/7/23三、小鼠心管的发生 新月生心区的前端位于胚盘的中线位置，这里是心脏原基的位置。到小鼠胚

19、胎第8天，起源于新月区的祖细胞在中线处发生连接，形成线性心管。线性心管由心肌外套层、心胶、内皮构成，内皮和心胶将分化为心 内膜，心肌外套层将分化为心肌层和心外顾(或心包脏层)。线性心管呈头尾方向，从头向尾依次为：心球 心室、心房和静脉窦(其中静脉窦分为左右两角)。随后心管向右环化，由线性心管向腔室结构转化。252021/7/23四、人心管的发生 人胚18-19天，生心区的中胚层内出现围心腔，围心腔腹侧的中胚层细胞形成前后纵行、左右并列的 对长索，称为生心板( cardiogenic plate),由生心板逐渐形成一对心内皮管。并列的心内皮管逐渐向中线靠拢，并从头端向尼端融合成为一条。当心管融合

20、和陷入心包腔时，其周围的间充质逐渐密集，形成一层厚的 心肌外套层( myoepicardial mantle),将来分化成为心肌顾和心外膜。内皮和心肌外套层之间的组织为较疏松的胶样结组织，称为心胶质( cardiac jelly),将来参与组成心内膜。 262021/7/23 在左右心内皮管融合过程中，其周围的间充质增厚，形成心肌外套。在这时期，发生中的心脏是一单层的管(心内膜心管),它和心肌外膜套之间隔着称做心胶的结缔组织。内层的心内膜心管将来成为覆盖在心内面的内皮，称为心内膜( endocardium),心肌外 epimyocardium)则分化成心肌膜和心外膜(或心包脏 层)。左右心内皮

21、管的并合自颜侧开始，向尾侧迅速延仰，胚胎22天时形成一条心管(图16.2)。；图16.2人心管外形的建立272021/7/23第三节 心脏环化282021/7/23 心脏环化( heart looping)是指在由原始的、对称性的直管心脏转化为非对称性的环化心脏过程中发生的一系列的方位与形态的改变。心脏环化包括右旋环化和S型环化。292021/7/23一、右旋环化 鸡心管环化始于H.和H第9+/10-期。在心管的原始锥体和原始心室的交汇处出现锥干沟。原始心室区向腹侧弯曲。同时心管的弯曲部分移至右边，心管的腹面和背面分别成为H.和H.第12期心室弯曲的右凸面和左凹面。相对的，心管的左右侧分别变成

22、且和H.第12期心室弯曲的腹面和背面。302021/7/23312021/7/23 向右环化完成于H.和H第12期，即原始心室向右弯曲的完成。然而H.和H.第12期的心管与较后阶段相比，原始心室弯曲不仅是心管移向身体右侧，心锥体将移向右侧，这不同于原始心室弯曲的右向置换，心锥并不弯曲而是残留的直形心管。在原始心室右翼弯曲时，心锥的纵轴仍与胚胎的头尾轴平行。原始心室右翼弯 曲并不会导致心锥的偏侧化，而仅会使心管尾部与头部内部扭转。心锥向右转移可以表述为心环动脉极的右向扭结。因此，心锥的纵轴由最初的垂直方向转换为水平方向，并在心锥与动脉极的交接处形成了拐角。322021/7/23二、S形环化 H.

23、和H第12/13期开始，胚胎绕头-尾轴向右旋转也影响心脏的发育。心锥尾部侧壁与原始心房头 部侧壁之间的距离缩短，原始心室弯曲由其最初的顶部位置向原始心房尾部位置转变。胚胎轴向扭转使得心脏的动、静脉极确定下来(图16.3)。 环化心管的另一个瞬时扭转发生在H和H第14-17期。这使得左心房暂时位于心管的顶部、右心房左侧；原始心室区弯曲的近端也暂时位于心管的顶部、心室曲远端左侧(图16.3） 心管S形环的形成通常在H.和H.第18期完成。在这个时期,原始心室弯曲的位置在心房的尾部确定下来,其外凸面也指向尾部。332021/7/23大动脉弓心脏动脉端动脉干动脉球围心腔耳肿胀静脉窦心室心房342021

24、/7/23房室管352021/7/23心室间隔心室房室管362021/7/23第四节 心脏腔室的形成372021/7/23 不同种属的动物之间心腔(cardiac chambers)结构是不同的，如成体斑马鱼的心脏只含有2个腔，即单心房和单心室，且心房和心室之间没有分隔；成体爪蟾的心脏包含3个腔，即两个小的心房、一个房室瓣和一个大的心室;高等脊椎动物则有4个腔，即左右心房和左右心室，且肺循环和体循环是分开的。382021/7/23一、心房的形成 原始心管在环化期已经分化并形成了心房区、心室区和流出管。心房区( atrial region)的上外侧壁首先向外膨胀，直至流出管，由此形成心房( at

25、rium)的各种附属结构。当心房中的体静脉窦合为一体时，其位置刚好位于心耳以及正在发育的原始隔膜之间。心耳是房室管肌肉组织融合进人发育中的心房而成，与膨大的右心房前庭末梢相连。392021/7/23在左心房中，对最终的腔室结构形成起重要作用的是原始心管的心房区；伴随着右心房的发育，最初房室管的一部分将与二尖瓣(mitral valve)的前庭一样开始融合进 人最后的左心房。在人体中，肺静脉在形成的初期并不重要，因为单独的静脉是向下开口的:但随后进行的分隔作用能使静脉腔扩大，并形成左心房的顶部，最终形成具有4个静脉孔的特定结构(图16.4)。402021/7/23412021/7/23二、心室的

26、形成 心室( ventricle)起源于心室环。原始心管的心室区最初是由起源于原始心脏新月区的“Y”型心管的主干以及来自次级心域的末梢结构形成的。心室形成的基础是从原始心管心室区的入口端顶部到出口端顶部形成的外囊结构，这些顶部结构特有的小梁形成的发育,赋子了心室左或右的最终形态学特征。从心室到心房或从心室到流出管的发育过程中存在着“表型转换”现象。422021/7/23三、心脏间隔的形成 隔开心房和心室的各个腔室的支架结构几乎都是肌肉结构，这些肌肉结构通过邻近肌肉壁的折叠或夹压而成；还有一小部分膈膜不是肌肉组织，而是膜状膈膜(membranous sepum)。这小部分膜状膈膜是由房室垫( a

27、rorenticular cushion)形成的，其中一部分由邻近融合的流出管腔垫膜末端形成。432021/7/23第五节 脊椎动物心传导系统的发生442021/7/23一、节律和传导系统 心跳是由一组异质性的组织启动和协调的，这一组组织统称为节律( rhythm)和传导系统( conductinayacem)。心传导系统主要由窦房结( arioneetor)、房室结( ariventrcular node) 、房室束(trioventicular bun-dle)3部分组成(图16. 5)，浦肯野纤维则组成外围组织。动作电位是由心肌收缩产生的，最开始是在窦房结中产生，传导至房室结。这时有一个

28、简单的延搁。再经过房室束的浦肯野纤维传入心室肌。452021/7/23窦房结右肺静脉房室结浦肯野纤维 背主动脉肺动脉房室束左束支462021/7/23 在心脏中，习惯性地将工作肌(主要功能是收缩)与传导系统(主要功能是产生并传导电兴奋)区分开来。传导系统的不同组分有不同的功能:窦房结，包含有主起搏点，起博点的功能是保证血压和血液单向流动，可产生兴奋，产生的兴奋随后经心房肌(在这个意义上，是传导途经的一部分)传向房室结。 在房室连接处，进一步的传导被绝缘纤维中断，但在另一个位点，特异的房室束通过中央纤维体穿透房室连接。房室结位于房室连接的心房一侧，可视为心房传导轴的末端，兴奋传播入心室会有短暂的

29、延搁，这是由房室结产生的，从而允许心房收缩时心室充盈。472021/7/23二、心室小梁和心室传导系统的发生 整个心室传导系统来自一个起源，即环绕心室间圆孔的心肌环和心室小梁状成分。房室沟向右扩张使这个心肌环进入一个位置 ，在这个位置它能与房间隔接触，从而建立房室传导轴，流出道的左向扩张使出口和左心室相连。在成年鸡心脏中这整个体系可清楚观察到，然而在人体中,只有房室束(和束分支)还保留，根据这个体系在小鸡心脏中的位置，原始心室内心肌层如果没有退化，可以定位在人心脏中。482021/7/23三、环化心管产生房室延搁 沿心管的所有肌细胞动作电位上升较慢，这是主要由Ca2+ 流产生的动作电位的典型特

30、征，经由L和T型钙离子通道。由于慢速去极化，动作电位由后向前传导的速度也一致地较慢，随着环化的逐渐进行，开始出现速度的不一致，将快速传导的心房和心室节段分开的慢速传导房室道(atrioventricularcanal)变得明显。在鸟类中，房室延搁在发育的42h左右非常明显，分别相当于小鼠和人类发育的第8和25天。492021/7/23 房室道是环化心管的3个区域之- (另外2个为窦房区和流出道)，与早期心管具有相似的电机械特性，随着心血管系统体积增大变得更加复杂，这些慢速传导的节段和相连的垫组织形成括约肌样的阀门，协调收缩和舒张，提高泵血的效率。502021/7/23 房室延搁很可能不是由一种

31、膜通道产生，心脏兴奋在细胞与细胞之间的传导由心肌细胞间隙连接介导，对啮齿类动物中的研究表明，在心管(随后是房室道和流出道)中的电偶联主要依赖由Connexin45(Cx45)构成的间隙连接，其特征是高电位敏感性和低通透性,这一特征很可能是房室道慢传导速度慢的原因，cx45基因敲除导致环化心管时期心脏兴奋传导的阻滞，从而产生致死效应，这一实验中强调了Cx45 的传导特性，而且Cx45在小鼠和其他哺乳动物窦房结和房室结高度表达，房室结功能异常常表现为快速心律失常( tach-yarhymias)和慢速心律失常( bradyarhythmias)，特别是结内或结外旁路( intra or extra

32、nodal bypass tracts)，患者需要终生治疗、电起搏器和电生理治疗。512021/7/23四、浦肯野纤维的起源 在约10天的鸡胚中，浦肯野纤维(Purkinjefiber)的分化变得非常明显，而心管的心肌细胞早就有了电活性。冠状血管(coronaryvessels)可诱导其周围的浦肯野纤维分化。当心脏分成心房和心室后,心脏周围的原始细胞侵人心管，并渐渐发育成冠状血管。在房室分裂形成中，神经嵴突细胞( cardiac neural crestcells)有可能参与了冠状血管的发育。在胚胎4天，神经嵴突细胞最先侵入动脉部分，随后进人心肌层，接着心肌细胞开始分化。522021/7/23

33、 在整个心脏的发育过程中，都可以检测到浦肯野纤维的分化。浦肯野纤维来源于血管外周区域的下层心肌细胞，而这些血管外周区域则是将来形成冠状血管的地方。532021/7/23第六节心脏发育的分子调控机制 542021/7/236.1 心脏基因的程序性表达 目前对调节心脏基因表达程序开始的分子机制有一定的了解，心肌细胞的形成是一个复杂多级的过程。 下胚层和前部侧内胚层都有心源性诱导的能力。生长因子 Activin A也具有下胚层的诱导能力。体内与体外实验都说明 Activin a是心肌细胞形成的最早诱导者，但是在小鼠中阻断任何激活素生长因子的功能都不会导致心脏形状改变。这些实验说明在体内激活素生长因子

34、可能直接作用于原肠胚，或者为其他TGFB超家族成员指明信号途径。前内胚层提供信号诱导早期的心脏转录因子Nkx2.5和GATA4在前侧中胚层(心脏前体)中表达(图16.6)。552021/7/23 在鸡和非洲爪蟾中,Wnt生长因子(其信号通过经典B- catenin途径)在原肠胚时期的中胚层细胞中抑制心脏基因的表达程序(图16.6D，F)。当中胚层细胞向前迁移时,Wnt信号被cre sent和/或 Dick kopf-1抑制，这时心脏基因表达程序开始。阻断- catenin的功能导致胚胎在原肠胚期时致死,但在内胚层中定点敲除B- catenin时将产生多重心脏，这说明B- catenin的缺失将

35、导致内胚层细胞的发育命运改变方向，允许这些细胞自主发育成心肌细胞。但经典Wmt信号途径在小鼠P19C6心肌细胞中激活诱导而不是抑制心肌细胞形成。尽管Wnt抑制子的表达贯穿整个胚胎前部,但心脏基因表达程序只在前部一侧的心脏形成区域开始，这说明心脏基因表达程序的正确诱导还需要其他因子的参与。562021/7/23 骨形成蛋白(BMP)家族是第一个被鉴定的在前体心脏中胚层区域表达的生长因子家族。BMP2 在内胚层表达. BMP4和BMP7在被外胚层覆盖的前体心脏中胚层表达。有趣的是，BMP向中央延伸至心脏形成区域,将会导致Nkx2.5表达区域也向中间扩展,但是侧面延伸并不能影响心脏形成区域。心脏形成

36、区域的侧面限制可能是由激活素IIA受体控制的，激活素IIA只在胚胎前面偏一侧部分表达。 这些实验说明低水平的Wnt和高水平的BMP信号是必需并且足够诱导Nkx2. 5在心脏形成区域表达。572021/7/23 涉及的第二个生长因子是成纤维生长因子(FGF)家族，在鸡胚的H.和H.第5期FGF1、FGF2、FGF4和FGF8A在内胚层中各自表达，并且在体外能够诱导心肌细胞的形成。与上面提到的BMP实验形成对比,FGF能诱导Nkx2. 5表达区域向侧面扩展,但是中间不会扩展，而且BMP在中间表达不仅能够诱导Nkx2.5同时也能诱导FGF的表达，这说明FGF信号位于BMP信号的下游。582021/7

37、/23 然而在鸡胚的H.和H.第46期切除内胚层,FGF同样也能诱导心肌的形成，但是BMP没有这种功能，而且在体外实验中，单独表达BMP或FGF就只能诱导较晚的侧面中胚层心肌细跑进行分化的第一步，这些实验结果说明FGF和BMP信号互相协作促使了心肌细胞的形成。尽管Wnt经典途径抑制心肌细胞形成，Wntl1途经经JNK激活心肌细胞的形成并且抑制Wnt经典途径。在非洲爪蟾中，Wnll在前侧中胚层表达，缺失则不能形成心肌细胞;Wntll能诱导小鼠胚胎P19心肌细胞的形成。此外发现在心肌形成过程中，Smad和JINK都介导BMP信号。592021/7/23图16.6心脏基因表达示意图(A)鸡胚H和H第

38、56时期的背部观图。原条在原肠胚时期贯穿了整个上胚层细胞;原条的最前端为亨氏节;两边的生心区用 灰色标出,心脏基因表达程序的最早标记物是转录因子Nkx2.5(C)。(B,C,D,E,F,C)示各个转录因子在鸡胚中的表达位置。 (H)转录因子的调控图。抑制Wn8c和Wnt3a在胚胎后部的表达Nkx2.5基因才能表达(D、F),Wnt抑制子 Crescent和 Dickkopf 1(Dk-1)均在胚胎前部表达(E)。随后BMP、FGF和Wnt11共同协调调控Nkx2.5的表达以及调控细胞分化成跳动的心肌细胞。JNK信号是Wnt和BMP信号的结合处,在心肌细胞的形成中BMP信号同时调控Smad和JN

39、K 602021/7/23二、转录因子在心肌调控中的作用1.下游调控靶点 在体内，ANF和Cx40是Nkx2.5和Tbx5的靶点。体外和体内实验都可以观察到Tbx5对ANF的调控具有剂量依赖性，这说明转录因子对基因表达起着很好的调控作用。在杂合子系统中Nkx2. 5对ANF的转录激活具有剂量依赖性，但在体内只有nkx2. 5完全缺失才能减少ANF的表达量。因此，ANF的体内表达主要是依赖Tbx5的剂量(图16.7)，这两种转录因子相互作用确保完全激活nkx2. 5表达。612021/7/23图16.7心脏转录因子Tbx5和Nkx2.5的基因表达调控模式图anf有3个Tbx5结合位点和2个Nkx

40、2.5结合位点;cx40则有5个Tbx5结合位点和1个Nkx.5结合位 点。百分比表示基因表达的活性622021/7/23 Tbx5和Nkx2.5作用在cx40启动子的特定结合位点直接激活它的表达。cx40 的转录对于Tbx5的剂量非常敏感，在小鼠心脏中将Tbx5的表达量减少50%导致cx40几乎不能转录，这说明Tbx5对cx40启动子多个位点的结合只是基因调控的第一步， 但是Tbx5剂量的减少对于转录作用呈非线性关系。因此，在心脏发育过程中,Tbx5在特定位点的特定水平成为基因表达的开关(图16.7)。632021/7/23 心锚重复蛋白(CARP)和pix2基因也是Nkx2.5靶基因。ca

41、rp基因在Nkx2.5型胚胎中是下游调控因子，在体内Nkx2.5直接调控carp的表达。同样pix2受复合调控元件的控制，它带有一个Nkx结合位点， 这对于心脏后期表达是必需的。GATA4和其他的GATA因子对于多个心脏基因(包括anf若干收缩蛋白基因、gaa6、nkx2.5和 dHAND等)起重要的调控作用。这些基因的启动子上都有功能性的GATA结合位点, 体外与体内实验都证明这对于转录的完全激活是必需的。642021/7/23 2.基因的协同作用 锌指蛋白GATA-4和它的结合伴侣对于心脏分隔是很重要的。GATA-4和FOG-2相互作用抑制了依赖 GATA-4的转录作用，但也有报道说明这种相互作用对于转录是相互促进的。在果蝇中,U区形成以及哺乳动物FOG蛋白抑制了 Pannier的活性, Pannier是CATA-4的同族体,与背部心管形成有关。对小鼠进行基因工程将其gata-4突变，设计成GATA-FOG相互作用的体系,发现其表型与FOG2缺失的小鼠相似。同时 gata-