发育生物学第十四章-附肢的发育

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1、,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第十四章 附肢的发育,附肢发育的研究是发育生物学的一个重要课题,。脊椎动物，特别是鸟类和两栖类附肢（,limb,）的发育包含了大量的、各种各样的诱导作用。,有尾类的蝾螈和美西螈附肢具有明显的再生能力，,是研究再生的极好模型。,1,第一节 脊椎动物附肢的发育,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一起。,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,。,脊椎动物的附肢都是

2、由体壁中胚层和外部的表皮共同组成的,。,2,鸡前肢内骨的排列模式及其不对称性,3,孵化,10,天的完整鸡翅标本，示三个发育轴：近侧,-,远侧轴、前后轴及背腹轴。,4,在所有的四足动物中，附肢发育的,基本形态发生原则（,basic morphogenetic rules,）,是相同的。,构建一个附肢所需要的位置信息要,在一个三维（或包括时间在内的四维）的、相互协调的系统中发挥作用,。现在已鉴定了一系列蛋白，在附肢近远轴、前后轴和背腹轴的形成过程中发挥作用。,5,一、附肢的起源,附肢场的形成：,Hox,基因和视黄酸,RA,脊椎动物的附肢在起源上是由胚胎体壁向外生长形成的,，主要是由来自中胚层的疏松

3、间质形成的,中央核,，以及来自外胚层的,表皮,两大部分组成。,附肢的原基称为附肢芽（,limb bud,）,。附肢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的水平决定。,6,鸡胚胎的肢芽。,孵化后第三天胚胎的侧面出现肢芽,7,许多脊椎动物胚胎中的,预定附肢区,（,prospective limb area,）已被定位。,能形成一个附肢的所有细胞，称为附肢场,/,域（,limb field,）,，包括位于中央的、产生附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,/,腰带的细胞。,附肢场起初具有调节失去或增加部分附肢的能力,，附肢场中的每

4、个细胞都能被指令形成附肢的任意一部分。,8,美西螈（,Ambystoma maculatum,）的预定前肢场,9,Hyla regila,的早期后肢场被许多寄生的线虫卵分隔开，形成多附肢的蝌蚪，,示附肢场的调整能力,。,10,视黄酸,RA,对于肢芽的向外生长具有重要的意义,。用药物阻断,RA,的合成，将抑制肢芽最初的形成。,Hensens,结可能是产生,RA,的源泉,。沿身体前后轴呈梯度分布的,RA,可以激活某些同源框基因，促使这些细胞形成肢场。,RA,还可以引起再生尾中的,同源转化现象,（,homeotic transformation,）。,11,A,，,RA,处理蝌蚪的尾巴引起肢的再生；

5、,C,，,RA,处理促进肢芽的形成（箭头所指部位）。,12,二、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,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。,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,。,13,两栖类胚胎中附肢由中胚层起源的图解,14,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,）,。,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,FGF10,能够启动上皮和中

6、胚层细胞之间的相互作用,。含有,FGF10,的磁珠（,bead,）异位放置于上皮下方，会诱导出额外的肢芽。,15,FGF10,的表达及其在鸡肢发育过程中的作用。,16,三、前肢和后肢的特化,Gain-of-function,实验结果表明，,转录因子,TBX4,和,TBX5,分别与后肢和前肢的特化有关,。,Loss-of-function,资料也表明，人类,TBX5,基因缺失会导致上肢和心脏的异常，但下肢基本不受影响。,17,TBX4,和,TBX5,在肢型特化中的作用,18,TBX4,和,TBX5,在,FGF10,诱导形成的肢芽中的表达,19,异位表达,TBX4,，可以使,FGF10,诱导形成的

7、前肢转变为后肢,20,四、顶外胚层嵴的形成,随着鸟类和哺乳类的中胚层间质细胞进入肢区，它们分泌的因子诱导,肢芽顶端前、后边缘的外胚层细胞伸长，形成一个增厚的特殊结构，称为顶外胚层嵴（,apical ectoderm ridge,，,AER,）,。,AER,是一个临时的结构，对于附肢的继续向外生长是至关重要的。,21,间质细胞分泌的因子可能是,FGF10,，其他的,FGF,因子如,FGF2,、,FGF4,和,FGF8,虽然也可以诱导,AER,的形成，但,FGF10,合成的时间和位置都是适当的。,FGF10,能够诱导鸡胚背腹交界处的外胚层形成,AER,。在背部化的肢芽突变体中，由于没有背腹交界，便

8、不能形成,AER,。,22,扫描电镜观察孵化,4.5,天的鸡胚肢芽，显示顶外胚层嵴,AER,。,23,附肢的向外生长涉及,AER,和中胚层间持续的相互作用。,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。,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在依赖于位于其下方的中胚层。,24,AER,与位于其下的中胚层的相互作用,25,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,：第一，中胚层起始附肢芽向外生长和形成,AER,；第二，,AER,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，附肢芽中胚层提供

9、保持,AER,所必须的刺激。,26,五、附肢发育时期轴的建立,脊椎动物完全形成的附肢包含三个轴的发育：,近远轴,（,proximal-distal,P-D,）、,背腹轴,（,dorsal-ventral,，,D-V,）和,前后轴,（,anterior-posterior,A-P,）。,附肢发育中三个轴的建立具有各自的时间性，它们好像是按下列顺序决定的：,前后轴、背腹轴和近远轴,。,27,近远轴的发育,附肢沿近远轴的分化是由,AER,和附肢中胚层诱导的相互作用产生的。,附肢芽的逐渐向外生长是由于位于,AER,下面间质细胞的增殖，而,AER,释放的分子维持间质细胞不断进行分裂。,由,AER,合成、

10、释放到其下的间质中的成纤维细胞生长因子,FGF,可能是鸡胚中维持间质细胞增殖的分子,。,28,AER,和附肢芽中胚层的相互作用,29,外胚层嵴顶端对于肢芽近远轴图式的发育是必须的。,从正在发育的肢芽中去除,AER,，将导致肢芽生长的停止；在发育后期将,AER,去除，可得到较为完整的肢。,30,生长因子可以替代顶外胚层嵴。,将,AER,切除后，移植能释放生长因子,FGF-8,的玻璃珠，可使肢几乎正常发育。,31,背腹轴的分化,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，并在背腹轴之间发育形成顶外胚层嵴。,在突变小鼠中控制着脊椎动物肢的背腹轴的基因已

11、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,。,32,从体节发出的信号参与背部外胚层的确定。,在鸡翅芽中，背腹外胚层界线的建立明显有来看,Notch,受体信号的参与。,含有,homeobox,的基因,Engrailed-1,在,AER,形成之前就已经在附肢腹部的外胚层特异地表达，有可能特化为将来的腹部区域。,33,外胚层控制发育中肢的背腹轴图式的形成。,Wnt-7a,在背部外胚层中表达，而,Engrailed,基因在腹部外胚层中表达。,lmx-1,基因在背中胚层中被,Wnt-7a,诱导表达，并且参与背部结构的确定。,34,前后轴的特化,附肢芽前后轴的极性是在肢芽能识别之

12、前就已特化。,有两种主要模型用来解释前后轴的特化。一种是,极化活动区（,zone of polarizing activity,，,ZPA,）可扩散形态发生子模型,（,ZPA diffusible morphogen model,）。另一种是,极性坐标模型,（,the polar coordinate model,）。,35,六、同源基因在附肢发育中的作用,现代研究认为附肢是通过特异基因在特定细胞中的表达决定的，同源基因可用于解释附肢发育中的所有主要现象。,同源基因决定附肢场,附肢场的边界与诱导能力有关，而此边界是由同源基因的表达模式决定的。,36,渐进带的相互作用是由,msx-1,和,msx

13、-2,基因调节的,AER,和位于其下的间质的相互作用是由,msx-1,和,msx-2,基因产物调节的。,msx-1,基因起初在整个早期的附肢芽中表达，但此后变得局限于直接位于,AER,下方的渐进带间质中表达。,msx-2,基因起初是在,AER,和前部的间质中的表达。,37,由同源基因决定前后轴和指的特性,HoxD,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,。,38,七、细胞死亡与

14、指和关节的形成,脊椎动物附肢中特定细胞的死亡是可遗传的,程序性细胞死亡,，是进化过程中经自然选择形成的。,细胞死亡在指,/,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。,39,鸭胚和鸡胚后肢原基中细胞死亡模式的比较。,40,鸡胚趾间细胞的程序性死亡信号可能由,BMP,发出，封阻,BMP,的受体将会阻止这些细胞的程序性死亡。,noggin,expression,dominant negative BMP receptor,41,在附肢的正常发育过程中，,BMP,既可以诱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的发育阶段。,在关节形成过程中，,BMP7,可以促进软骨的形成，而,BMP2,和,GDF5,在骨之间的位置表达，促进关节的形成,。,42,BMP,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，,BMP7,（,A,）和,BMP2,（,B,）的表达。,43,Noggin,蛋白的作用。,C,，,16.5,天正常小鼠前肢中,GDF5,在关节形成处表达；,D,，,Noggin,缺陷型突变体小鼠中不表达,GDF5,，也不形成关节。,44,