发育生物学第五章四肢动物肢体发育

1、发育生物学第五章四肢动物肢体发育肢体的三个轴线肢体的三个轴线肱骨肱骨尺骨尺骨桡骨桡骨腕骨腕骨脊椎动物肢体在脊椎动物肢体在结构和发育上是结构和发育上是保守的。保守的。一、肢芽的形成一、肢芽的形成 肢体区肢体区(limb field): 由有由有能力形成一个肢体的中胚层细能力形成一个肢体的中胚层细胞所组成的区域。胞所组成的区域。 肢体区细胞的特点：可调节肢体区细胞的特点：可调节性。性。寄生虫卵在肢芽中寄生虫卵在肢芽中的繁殖导致多肢体的繁殖导致多肢体的形成。的形成。肢芽在躯干上的形成部位可能受视肢芽在躯干上的形成部位可能受视黄酸和黄酸和hox基因的控制基因的控制如多种动物的前肢芽都出如多种动物的前肢

2、芽都出现于现于Hoxc-6表达谱的最前表达谱的最前部边界，即第一胸椎所处位部边界，即第一胸椎所处位置。置。 肢体细胞的来源肢体细胞的来源肌肉细胞前体：来源于体节的轴下生肌区；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。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肢芽的形成受来自于中间中胚层(intermediate mesoderm)如肾前体的信号诱导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。，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。新的研究表明，侧板中胚层中将要产生肢体间质细胞新

3、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的细胞分泌的FGF10诱导了肢芽的形成。诱导了肢芽的形成。顶端外胚层嵴顶端外胚层嵴(apical ectodermal ridge, AER)的形成的形成 AER：中胚层间质细胞诱导其外：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，是肢体肢芽的远端边缘背腹交界处，是肢体生长的主要信号中心。生长的主要信号中心。 AER的作用的作用： 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.

4、 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。 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中，将产生证据：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不能生成AER，造成无肢体。造成无肢体。AER中中FGF8的表达是肢体生长所必需的的表

5、达是肢体生长所必需的肢芽形成中的分子互作模型肢芽形成中的分子互作模型AER在肢芽沿在肢芽沿PD轴线轴线生长生长中中的作用的作用说明说明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 AER维持间质细胞的分裂能力、防止其形成软骨：维持间质细胞的分裂能力、防止其形成软骨：去除去除AER中将分化为脚趾间组织的细胞，将形成额外的脚趾。中将分化为脚趾间组织的细胞

6、，将形成额外的脚趾。鸡的两套趾症源于肢芽上有两个鸡的两套趾症源于肢芽上有两个AER用鹌鹑的用鹌鹑的AER取代无肢体鸡的取代无肢体鸡的AER可以导致正常的肢体发育可以导致正常的肢体发育AER对对PD轴线轴线影响的影响的 分分子基础是子基础是FGF因子因子Progress Zone (PZ) 识别和决定识别和决定肢体的肢体的PD轴生长程度轴生长程度证证 据据 一一 Progress zone是指是指AER内内保持了旺盛分裂能保持了旺盛分裂能力的间质细胞区域力的间质细胞区域。 不同时间离开不同时间离开progress zone的的细胞分化为不同的细胞分化为不同的软骨。证据之一是软骨。证据之一是，在不

7、同时间去除，在不同时间去除AER，所形成的肢所形成的肢体骨不同。体骨不同。肢体的肢体的P-D极性决定于极性决定于PZ而非而非AER：证据二证据二老幼肢体老幼肢体间间AER的互换不的互换不会出现类似现象。会出现类似现象。老幼肢体老幼肢体间间PZ细胞细胞的互的互换改变换改变PD极性。极性。Early bud PZ to late budLate bud PZ to early bud间质细胞离开间质细胞离开PZ区的时间决定了其分化命运区的时间决定了其分化命运利用突变体研究利用突变体研究AER和和PZ相互作用相互作用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Hox基因缺陷

8、导致肢体相应部位的缺失基因缺陷导致肢体相应部位的缺失人的多指症也可能与人的多指症也可能与Hox基因的异位表达有基因的异位表达有关关蝾螈肢体的再生蝾螈肢体的再生 两栖类动物肢体被截除后，两栖类动物肢体被截除后，可以重新长出被截区的部分。可以重新长出被截区的部分。 肢体切除后的肢体切除后的612小时内，小时内，剩余部分的表皮细胞移向窗口表面剩余部分的表皮细胞移向窗口表面形成单细胞层表皮，再通过细胞增形成单细胞层表皮，再通过细胞增殖形成顶端外胚层帽殖形成顶端外胚层帽(apical ectodermal cap). 在随后的在随后的4天天中，中，顶端外胚层帽下的骨细胞顶端外胚层帽下的骨细胞、软骨细胞、

9、成纤维细胞、肌、软骨细胞、成纤维细胞、肌细胞、神经细胞发生去分化作细胞、神经细胞发生去分化作用，构成再生胚基用，构成再生胚基(regeneration blastema),继续继续增殖、分化形成肢体结构。增殖、分化形成肢体结构。肢体的再生分神经依赖性和非神经依赖性两个阶段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神经细胞释放的放的GGF、运运铁蛋白、铁蛋白、FGF2等可等可能有助于细能有助于细胞的去分化胞的去分化截肢位置信息的识别：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息，并重建其远端的位置信息不同部位的再生胚

10、基不同的重建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不同部位的再生胚基细胞表面的粘附特性不同(远端更强远端更强)，这种粘附性质可能是，这种粘附性质可能是PD位置信息的一部分位置信息的一部分Retinoic acid可以改变再生肢体的位置信息可以改变再生肢体的位置信息，使胚基近端化，使胚基近端化(proximalizing)三三、肢体、肢体AP轴线的确定轴线的确定 鸡的肢芽尚鸡的肢芽尚未形成之前未形成之前，其，其AP和和DV轴线就轴线就已经确定。已经确定。(移植的肢芽移植的肢芽的极性不受的极性不受受体胚胎极受体胚胎极性的影响性的影响)极性决定区极性决定

11、区(zone of polarizing activity, ZPA)位于后部间质细胞区位于后部间质细胞区将额外的将额外的ZPA移植到肢芽的前端可导致移植到肢芽的前端可导致远端形成镜像对称结构远端形成镜像对称结构Sonic Hedgehog的表达部位与的表达部位与ZPA吻合吻合Sonic Hedgehog具有具有ZPA活性的实验证据活性的实验证据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的产的产生，生，BMP2再诱导其它因再诱导其它因子的合成。子的合成。SHH的下游基因是的下游基因是Hoxd基因基因AER中的信

12、号分子对于中的信号分子对于激活和维持激活和维持SHH的表达的表达起重要作用起重要作用AER中的中的FGF8不能诱导不能诱导前部合成前部合成SHH，可能与可能与Hoxb8的表达有关的表达有关四四、肢体、肢体DV轴线的确定轴线的确定 在背部外胚层特异性表达的在背部外胚层特异性表达的Wnt-7a诱导背部间质细胞合成诱导背部间质细胞合成转录因子转录因子Lmx-1，后者再控制后者再控制肢芽背部特异性基因的表达。肢芽背部特异性基因的表达。Lmx-1在背、腹间质细胞中都表在背、腹间质细胞中都表达，导致双被部结构。达，导致双被部结构。 Engrailed在小鼠肢芽腹部在小鼠肢芽腹部外胚层表达，其突变体的肢芽外

13、胚层表达，其突变体的肢芽腹部外胚层可表达腹部外胚层可表达Wnt-7a，从从而形成双背部结构。而形成双背部结构。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称的双腹部结构敲除敲除Wnt-7a的小鼠的脚掌缺少的小鼠的脚掌缺少后后部趾，说明其也影响部趾，说明其也影响AP极性极性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五五、前肢和后肢发育机制有所不同、前肢和后肢发育机制有所不同Tbx5和和Tbx4分别指定了分别指定了前肢芽和后肢芽的发育前肢芽和后肢芽的发育人的人的Holt-Or

14、am Syndrome表现为心脏和手的畸形表现为心脏和手的畸形，而脚是正常的，其，而脚是正常的，其TBX5基因发生了突变基因发生了突变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Tbx4Tbx4的异位表达可改的异位表达可改变变FGF的的诱导结果。诱导结果。六六、细胞凋亡与趾的形成、细胞凋亡与趾的形成两栖类动物的趾的形成两栖类动物的趾的形成依赖于趾区和趾间区生依赖于趾区和趾间区生长速度的差异长速度的差异决定细胞死亡的是间质细胞，而决定细胞死亡的是间质细胞，而不是外胚层细胞。不是外胚层细胞。 在早期肢芽中在早期肢芽中，BMP2、BMP4、BMP7在趾间组织在趾间组织中表达，中表达，促进趾间促进趾间组织的凋亡，趾区组织的凋亡，趾区表达的表达的noggin可可拮拮抗抗BMP。 但在较后期的但在较后期的肢体中，肢体中，BMP促进促进间质细胞分化为软间质细胞分化为软骨。骨。骨形成蛋白骨形成蛋白BMP2、BMP7、GDF5在关节形成中的作用在关节形成中的作用在在noggin-/-小鼠胚胎中，小鼠胚胎中，BMP7使所有间质细胞转变为软骨细胞，导致无使所有间质细胞转变为软骨细胞，导