附肢发生和机理课件

附肢发生和机理无肢畸形：一个肢体或几个肢体完全缺失，多由肢芽发生受阻。短肢畸形：四肢短小。残肢畸形：指一个肢体或多个肢体的部分缺失。由于肢芽的发育和分化停或紊乱所致。2发育不全性畸形3重复性畸形多指（趾）畸形4567肢体的三个轴线肱骨尺骨桡骨腕骨一、胚轴决定了肢体发育指骨8脊椎动物肢体在结构和发育上是保守的小鼠和鸡肢体发育9二、肢体域(limbfield)又称肢体场的确定肢体域的概念：由中胚层细胞组成、有能力长出一个肢体的区域。肢体区内的细胞都具有发育为一个肢体的潜力，说明它们具有可调节性。肢体场:

由有能力形成一个肢体的中胚层细胞所组成的区域。肢体区细胞的特点：可调节性。美西螈的预定前肢场中央区:

形成游离前肢的细胞中央区周围:

周围附肢的躯干组织和肩带的细胞外周细胞:

通常并不包括在前肢中，但是，如果将中央的组织除去时，它能调节形成前肢。如都去除，将没有附肢发育。11附肢场起初具有调节失去或增加部分附肢的能力。当垂直地将附肢盘分成两半或更多的部分后，用薄的障碍物放在它们之间以防止彼此重新融合，结果被分隔的每一部分都能发育成一个完整的附肢12寄生虫卵在蝌蚪肢芽中的繁殖导致多肢体的形成。13肢体域的定位：肢体区位于特定的部位，这些部位有特殊的Hox基因表达谱；如多种动物的前肢芽都出现于Hoxc-6表达谱的最前部边界，即第一胸椎所处位置。retinoicacid能够启动肢体的生长，它可能是通过控制Hox基因的表达而产生影响。青蛙蝌蚪尾巴切断后用视黄酸处理后，再生出许多腿肢芽在躯干上的形成部位可能受hox基因和视黄酸的控制141.肢芽形成的诱导信号肢体细胞来源：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。

肢芽的形成受来自于中间中胚层(intermediatemesoderm)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。15➤肢芽的形成受来自于间介中胚层如肾前体的信号诱导，移去中肾或在中肾与附肢芽细胞间插入不透膜可使附肢芽停止增大。➤侧板中胚层中，将要产生附肢的间质细胞分泌成纤维细胞生长因子-10（FGF-10）诱导附肢芽的形成162.胚层之间相互作用

顶端外胚层嵴(apicalectodermalridge,AER)的形成AER：中胚层间质细胞诱导位于肢芽的远端边缘背腹交界处外表的外胚层细胞形成突起结构，是肢体生长的主要信号中心。

AER的作用：

1.维持其内侧的间质细胞的增生

能力，使肢体沿Proximal－

Distal轴线生长。

2.维持A－P轴线控制因子的表达

3.控制A－P和D－V轴线的因

子互作，以指导细胞的分化。172.胚层之间相互作用：顶脊是在其下方的中胚层诱导下发生的。实验证明:如果将肢芽处的中胚层组织移植到胚体体壁其它区域的外胚层下，移植部位的外胚层也形成顶脊，进而发育为肢体。如果将前肢芽的中胚层挖除，将后肢芽的中胚层移植其中，则本该发生前肢的肢芽却发育形成后肢。表明肢芽的中胚层既有诱导顶脊的发生，也决定了肢体的形态发生。18

切除肢芽顶脊，代之以非顶脊的外胚层，则肢芽生长停止。有一种无翼突变鸡种，若在其胚体側壁局部外胚层下的中胚层组织植入正常鸡胚肢芽中胚层，仍无顶脊发生，也无翼形成。说明顶脊外胚层对中胚层诱导的反应是肢芽形成的另一必要因素。顶脊对肢体远端结构的形成也起决定作用，如将一个顶脊移植到另一肢芽顶脊旁边，该肢体最终出现两个远端结构。19

AER的形成依赖于背部外胚层和腹部外胚层的互作

证据：①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AER；

②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AER，造成无肢体。额外的AER20AER中FGF-8的表达是肢体生长所必需的成纤维生长因子8(FGF8)，它的表达谱与肢芽形成区一致，它在非肢体区的存在可导致形成一个新的肢体。正常鸡胚有fgf8表达肢体突变的鸡中没有fgf8表达21肢芽形成中的分子互作模型AER形成的诱导分子：侧板中胚层产生的fgf10诱导外胚层合成FGF8，后者诱导表皮外胚层下方的间质细胞扩增和肢芽后部区产生SHH，SHH反过来诱导肢芽后部外胚层细胞合成FGF4，FGF4与FGF8维持肢芽间质细胞的增殖能力和SHH在肢芽后部的表达。22AER在肢芽沿近－远轴线生长中的作用说明AER是维持间质细胞分裂、推动肢体向外生长所必需的说明AER影响A-P轴线说明间质细胞决定了肢体的类型说明间质细胞是维持AER所必需的二、肢体近－远端轴线的生成23附肢发育中要求的三种类型外胚层和中胚层间的相互作用中胚层起动附肢芽向外生长和形成AER；AER刺激附肢芽进一步向外生长及附肢芽中胚层的增殖和分化；附肢芽中胚层提供保持AER所必须的刺激。24

1.AER对肢芽向外生长的作用

在附肢发育期间任何时间除去AER，远端附肢的进一步发育停止；AER维持间质细胞的分裂能力、防止其形成软骨渐进带（Progresszone，PZ)

AER内保持有旺盛分裂能力的间质细胞区域称渐进带。不同时间离开渐进带的细胞分化为不同的软骨。25鸡的两套趾症源于肢芽上有两个AER26用鹌鹑的AER取代无肢体鸡的AER

可以导致正常的肢体发育27AER对P－D轴影响的分子基础是FGF因子.

AER与位于其下方渐进带间质相互作用的分子基础是在AER中合成的，并释放到其下方的间质中的成纤细胞生长因子2(FGF-2)。当除去AER后，植入的可释放FGF—2的念珠将代替AER的作用。282.渐进带(Progresszone，PZ)对肢芽向外生长的作用证据一

不同时间离开渐进带的细胞分化为不同的软骨。证据之一是，在不同时间去除AER，所形成的肢体骨不同。渐进带是指位于AER下方、保持旺盛分裂能力的间质细胞区，离AER约0.2mm以内。ProgressZone

识别和决定肢体的远--近轴生长程度29肢体的P-D极性决定于PZ而非AER：

证据二：P-d极性存在于渐进带内，因为嫩肢芽的PZ和AER移植到老肢芽上导致在原已长出的结构上再长出近端肢体结构，老肢芽的PZ和AER移植到嫩肢芽上导致在远端肢体结构提前长出，而单独移植AER不会出现此现象。30间质细胞离开PZ区的时间决定了其分化命运附肢内中胚层细胞的命运是由它们在渐进带中保留多长时间决定的：在渐进带中细胞持续增殖，首先迁出渐进带的细胞先脱离AER的影响，将发育形成附肢最近端的成分；而那些在渐进带保持较长时期的细胞将形成附肢较远端的成分；313、Hox基因在决定肢体P－D轴线中的作用在肢芽中表达的Hox基因主要是Hoxa和Hoxd基因簇成员，它们沿近－远轴线分化表达，可能为肢体的发育提供位置信息。不同的Hox基因的缺少会导致特定的肢体软骨缺失。32Hox基因缺陷导致肢体相应部位的缺失并指多指(HOXD-13突变）33人的多指症也可能与Hox基因的异位表达有关34三、肢体A－P轴线的确定鸡的肢芽尚未形成之前，其A－P和D－V轴线就已经确定。(移植的肢芽的极性不受受体胚胎极性的影响)35研究表明，前-后轴是年幼肢芽和体壁后部连接处的一小团中胚层的特化，这个区域称为极性活化区(ZPA)，位于后部间质细胞区。36将额外的极性活化区(ZPA)移植到肢芽前端可导致远端形成镜像对称结构37SonicHedgehog（Shh）的表达部位与ZPA吻合38SonicHedgehog(shh)具有ZPA活性的实验证据39前-后特化:可扩散形态发生子模型A.正常附肢的ZPA中产生一种可扩散的因子，形成由后高前低的梯度，当降低到一定阈值水平时，它组织细胞形成特定的指。后趾是Ⅳ，前指是Ⅱ此模型认为是由ZPA组织分泌的可扩散形态发生子决定，此物质从ZPA向外扩散，由肢芽后端向前端形成一种浓度梯度。B.当额外的ZPA置于附肢的前部，假定的形态发生子的浓度发生变化，建立一种形态发生子对称的分布，阈值的状况仍然适用，结果形成对称的加倍指。40ZPA活性决定A－P轴线的信号传导机制SHH可诱导BMP2的产生，BMP2再诱导其它因子的合成。Shh和来自AER的信号因子共同激活Hoxd基因及细胞增殖。AER中的信号分子对于激活和维持SHH的表达起重要作用。AER中的FGF8不能诱导前部合成SHH，与Hoxb8的表达有关Wnt7a也能影响肢芽的A－P极性。它可能与Shh、FGF4互作。41四、肢体D－V轴线的确定Lmx-1在背、腹间质细胞中都表达，导致双背部结构。

Engrailed突变体的肢芽腹部外胚层可表达Wnt-7a，从而形成双背部结构。肢体D－V轴线决定于背部特异性信号因子Wnt7a的表达，同时诱导背部间质细胞表达转录因子Lmx-1，Lmx-1控制其它影响肢芽背部形态结构的基因的表达。

Engrailed在小鼠肢芽腹部外胚层细胞中表达，决定了肢芽腹部命运。42敲除Wnt-7a的小鼠的脚掌有镜像对称的双腹部结构敲除Wnt-7a的小鼠的脚掌缺少后部趾，说明其也影响A－P极性附腱腹足垫43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44Tbx5和Tbx4分别决定了前肢芽和后肢芽的发育TBX5基因发生了突变，人的Holt-OramSyndrome表现为心脏和手的畸形，而脚是正常的。45FGF诱导的肢体类型决定于肢芽是表达Tbx5或Tbx446Tbx的异位表达可改变FGF的诱导结果。47六、细胞凋亡与趾的形成两栖类动物的趾的形成依赖于趾区和趾间区生长速度的差异◆在细胞死亡被决定和死亡真正发生之间的时期DNA、RNA和蛋白质合成的水平急剧地降低。◆某些基因的表达预示在鸡后肢芽的一些区域细胞死亡。48决定细胞死亡的是间质细胞，而不是外胚层细胞49在早期肢芽中，BMP2、BMP4、BMP7在趾间组织中表达，促进趾间组织的凋亡，趾区表达的noggin可拮抗BMP。

但在较后期的肢体中，BMP促进间质细胞分化为软骨。BMP受体突变，BMP不能发挥作用，阻止了凋亡Noggin表达部位50骨形成蛋白BMP2、BMP7、GDF5在关节形成中的作用在noggin-/-小鼠胚胎中，BMP7使所有间质细胞转变为软骨细胞，导致无趾关节；含GDF5突变的人无趾关节，GDF5和BMP2的作用可能是杀死关节间的间质细胞或使其快速分化。BMP7BMP2GDF551七、肢体的进化3.6－4亿年前泥盆纪的四肢动物的肢体近端结构与鱼鳍相似52在鱼鳍和鸡后肢中Hox基因的表达谱相似53不同物种的肢体骨结构是相似的蝙蝠马人54决定肢体轴线的分子机制在不同物种上是保守的果蝇翅成虫盘鸡翅芽55有尾两栖类附肢的再生56一些两栖类与爬行类、鸟类和哺乳类相比，具有恢复被截断附肢的能力，这种能力被称为再生。再生包括以下两个过程：变形再生：是指身体保留的部分重新组织以产生丧失的结构。新建再生：是由创伤表面产生新的组织，并逐渐恢复失去的部分。57蝾螈附肢的再生1、创伤愈合附肢被截断以后，创伤的修复从伤口边缘表皮扩展并覆盖切口表面开始。附肢的顶端形成一个圆锥状的膨大。这个结构称为顶表皮帽。在截断附肢后不久，创伤处出现发炎反应。发炎反应消失后，表皮下面形成瘢痕组织。582、组织破坏和去分化残留跗肢中出现大片的组织溶解。此时创伤表面下的区域释放胶原酶，使已存在组织的细胞相继失去已分化的特征，彼此之间及与细胞外基质间分离，形成松散的间质，这个过程称为去分化。593．再生芽基的形成这些去分化的细胞在顶外胚层帽下形成一堆积突起，称为再生芽基。再生中的附肢也包含一个上皮—间质系统，它与胚胎器官的分化系统极其相似。此时芽基迅速分裂增生，并产生新的附肢结构。60芽基细胞的来源和作用

通过用X射线照射蝾螈肘部的一窄区，然后以下列方式截断，根据其附肢的生长情况，可以推断芽基的细胞来自截肢位点附近的一个狭窄的区域。芽基细胞是附肢再生所必需。614．形态发生和分化在芽基中第一个分化的组织是软骨。它首先出现于残存骨的尖端，并在其远端生长，逐渐附加使其完整恢复。此后较远端的骨成分出现。当软骨完成其重建后，再生的软骨进行骨化。肌肉形成包括软骨周围肌肉的重新出现和残存肌肉末端的增生。62再生作用的调节◎表