发育生物学课件5

1、Developmental Biology第五章第五章 四肢动物肢体的发育四肢动物肢体的发育Developmental Biology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Developmental Biology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。Developmental Biology一、肢芽的形成一、肢芽的形成 肢体区肢体区(limb field): 由由有能力形成一个肢体的中有能力形成一个肢体的中胚层细胞所组成的区域。胚层细胞所组成的区域。 肢体区细胞的特点：肢体区细胞的特点：可可调节性。调节性。Developmental B

2、iology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。Developmental Biology肢芽在躯干上的形成部位可能肢芽在躯干上的形成部位可能受视黄酸和受视黄酸和hox基因的控制基因的控制如多种动物的前肢芽都如多种动物的前肢芽都出现于出现于Hoxc-6表达谱的表达谱的最前部边界，即第一胸最前部边界，即第一胸椎所处位置。椎所处位置。Developmental Biology 肢体细胞的来源肢体细胞的来源肌肉细胞前体：肌肉细胞前体：来源于体节的轴下生肌区；来源于体节的轴下生肌区；骨细胞前体：骨细胞前体：侧板中胚层的体细胞区间质细胞。侧板中胚层的体细胞区间

3、质细胞。 肢芽的形成肢芽的形成受来自于中间中胚层受来自于中间中胚层(intermediate mesoderm)如肾前体的信如肾前体的信号诱导号诱导，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。Developmental Biology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FGF10诱导了肢芽的形成。诱导了肢芽的形成。Developmental Biology顶端外胚层嵴顶端外胚层嵴(apical ectodermal ridge, AER)的形成

4、的形成 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： 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。Developmental Biology AE

5、R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。Developmental BiologyAER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Developmental Biology肢芽形成中的分子互作模型肢芽形成中的分子互作模型Dev

6、elopmental BiologyAER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Developmental Biology 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

7、组织的细胞，将形成额外的脚趾。Developmental Biology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AERDevelopmental Biology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Developmental BiologyAER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Developmental BiologyProgress Zone (PZ) 识别和决定肢体的识别和决定肢体的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

8、保持了旺盛分裂能力的间质细胞能力的间质细胞区域。区域。 不同时间离不同时间离开开progress zone的细胞分化为不的细胞分化为不同的软骨。证据同的软骨。证据之一是，在不同之一是，在不同时间去除时间去除AER，所形成的肢体骨所形成的肢体骨不同。不同。Developmental Biology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：证据二老幼肢体间老幼肢体间AER的互换的互换不会出现类似现象。不会出现类似现象。老幼肢体间老幼肢体间PZ细胞的细胞的互换改变互换改变PD极性。极性。Early bud PZ to late budLate bud PZ to early

9、budDevelopmental Biology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Developmental Biology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Developmental BiologyHox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Developmental BiologyHox基因缺陷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Developmental Biology人的多指症也可能人的多指症也可能与与Hox基因的异位表基因的异位表达有关达有关Developmental Biol

10、ogy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小时小时内，剩余部分的表皮细胞移向内，剩余部分的表皮细胞移向窗口表面形成单细胞层表皮，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再通过细胞增殖形成顶端外胚层帽层帽(apical ectodermal cap). 在随后的在随后的4天中，顶端外胚层天中，顶端外胚层帽下的骨细胞、软骨细胞、成帽下的骨细胞、软骨细胞、成纤维细胞、肌细胞、神经细胞纤维细胞、肌细胞、神经细胞发生去分化作用，构成再生胚发生去分化作用，构成再生胚基基

11、(regeneration blastema),继继续增殖、分化形成肢体结构。续增殖、分化形成肢体结构。Developmental Biology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、运铁蛋白、运铁蛋白、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Developmental Biology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信息，并重建其远端的位置信息Developmental Biology不同部位的再生

12、胚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Developmental Biology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(远端远端更强更强)，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Developmental BiologyRetinoic acid可以改变再生肢体的位置可以改变再生肢体的位置信息，使胚基近端化信息，使胚基近端化(proximalizing)Developmental Biology三、肢体三、肢体AP轴线的确定轴线的确定 鸡的肢芽鸡的肢芽尚未形成尚未形成之前，其之前，其AP和和DV轴

13、线就已轴线就已经确定。经确定。(移植的肢移植的肢芽的极性芽的极性不受受体不受受体胚胎极性胚胎极性的影响的影响)Developmental Biology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Developmental Biology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Developmental BiologySonic Hedgehog的表达部位与的表达部位与ZPA吻合吻合Developmental BiologySonic Hedgeho

14、g具有具有ZPA活性的实验证据活性的实验证据Developmental BiologyZPA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再诱导其它再诱导其它因子的合成。因子的合成。Developmental BiologySHH的下游基因是的下游基因是Hoxd基因基因Developmental BiologyAER中的信号分子对中的信号分子对于激活和维持于激活和维持SHH的的表达起重要作用表达起重要作用AER中的中的FGF8不能诱不能诱导前部合成导前部合成SHH，可能，可能与与Hoxb8的表达有

15、关的表达有关Developmental Biology四、肢体四、肢体DV轴线的确定轴线的确定 在背部外胚层特异性表达在背部外胚层特异性表达的的Wnt-7a诱导背部间质细胞诱导背部间质细胞合成转录因子合成转录因子Lmx-1，后者，后者再控制肢芽背部特异性基因再控制肢芽背部特异性基因的表达。的表达。Lmx-1在背、腹间在背、腹间质细胞中都表达，导致双被质细胞中都表达，导致双被部结构。部结构。 Engrailed在小鼠肢芽腹在小鼠肢芽腹部外胚层表达，其突变体的部外胚层表达，其突变体的肢芽腹部外胚层可表达肢芽腹部外胚层可表达Wnt-7a，从而形成双背部结构。，从而形成双背部结构。Developmen

16、tal Biology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Developmental Biology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、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Developmental BiologyTbx5和和Tbx4分别指定了前肢芽和后肢芽的发育分别指定了前肢芽和后肢芽的发育人的人的Holt-Oram

17、 Syndrome表现为心脏和手的畸表现为心脏和手的畸形，而脚是正常的，其形，而脚是正常的，其TBX5基因发生了突变基因发生了突变Developmental BiologyFGF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Tbx4Developmental BiologyTbx4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。Developmental Biology六、细胞凋亡与趾的形成六、细胞凋亡与趾的形成两栖类动物的趾的形两栖类动物的趾的形成依赖于趾区和趾间成依赖于趾区和趾间区生长速度的差异区生长速度的差异Developmental Biolog

18、y决定细胞死亡的是间质细胞，决定细胞死亡的是间质细胞，而不是外胚层细胞。而不是外胚层细胞。Developmental Biology 在早期肢芽中，在早期肢芽中，BMP2、BMP4、BMP7在趾间组在趾间组织中表达，促进织中表达，促进趾间组织的凋亡，趾间组织的凋亡，趾区表达的趾区表达的noggin可拮抗可拮抗BMP。 但在较后期的但在较后期的肢体中，肢体中，BMP促促进间质细胞分化进间质细胞分化为软骨。为软骨。Developmental Biology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，使所有间质细胞转变为软骨细胞，导致无趾关节；含导致无趾关节；含GDF5突变的人无趾关节，突变的人无趾关节，GDF5和和BMP2的作用的作用可能是杀死关节间的间质细胞或使其快速分化。可能是杀死关节间的间质细胞或使其快速分化。BMP