附肢的发育和再生

,授课教师 武建中,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,博学笃行,厚德尚能,Yichun University,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,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,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,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,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 附肢的发育和再生,概述,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,。,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由,体壁中胚层,和,外部表皮,共同组成。,鸡翅内骨的排列模式及其不对称性,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。,前部的,后部的,近侧的,远侧的,背侧的,腹侧的,在,所有的四足动物中,，附肢发育的,基本形态发生原则,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。,一、附肢的起源,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。,鸡胚胎的肢芽,孵化后第三天胚胎的侧面出现肢芽。,翅肢芽,腿肢芽,顶外胚层嵴,体节,附肢域,能形成一个附肢的所有细胞，称为,附肢域,（,limb field,）或,附肢场,。,附肢域,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,/,腰带细胞,。,附肢域,起初,具有,调节失去或增加部分附肢,的能力，附肢域中的,每个细胞都能被指令形成附肢的任意一部分,-,调和等能系统,。,美西螈（,Ambystoma maculatum,）的预定前肢场,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。,A,，,RA,处理蝌蚪的尾巴引起肢的再生；,C,，,RA,处理促进肢芽的形成（箭头所指部位）。,二、附肢的早期发育,附肢早期发育的,第一个迹象：,预定形成附肢的细胞从附肢域,侧板中胚层,（附肢,骨骼的前体,）和,体节中胚层,（附肢,肌肉的前体,）分离出来，转变成一团间质细胞，这些间质细胞向侧面迁移到,侧板中胚层和表皮之间,，牢固地贴附于表皮内表面。,两栖类胚胎中附肢由中胚层起源的图解,肢芽,肢芽,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,中胚层细胞,成纤维细胞生长因子,FGF10,形成预定附肢间质细胞中的,侧板中胚层细胞,提供,肢芽形成的信号,，这些细胞分泌的,FGF10,能够启动上皮和中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。,FGF10,的表达及其在鸡肢发育过程中的作用,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,。,TBX4,和,TBX5,在肢型特化中的作用,TBX4,和,TBX5,在,FGF10,诱导形成的肢芽中的表达,异位表达,TBX4,，可以使,FGF10,诱导形成的前肢转变为后肢,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。,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，便不能形成,AER,。,扫描电镜观察孵化,4.5,天的鸡胚肢芽,显示顶外胚层嵴,AER,背侧,腹侧,附肢发育中外胚层和中胚层间的相互作用,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。,AER,与位于其下的中胚层的相互作用,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。,当,额外的,AER,移植,到附肢芽上将形成超数附肢结构，通常朝向附肢远端。,将,腿间质直接置于翅的,AER,下方,，远端的后肢结构（趾）在附肢末端发育（然而，如果腿间质离,AER,较远，后肢间质进入翅的结构）。,当,非附肢的中胚层移植到,AER,下方,，则,AER,退化，附肢发育停止。,附肢发育中外胚层和中胚层间的相互作用,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,，附肢芽中胚层提供保持,AER,所必须的刺激。,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,。,1.,近远轴的发育,附肢沿近远轴的分化,：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,：,由于位于,AER,下面间质细胞的增殖；,AER,释放的分子（成纤维细胞生长因子,FGF,）,维持间质细胞不断进行分裂。,由,AER,合成、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。,AER,和附肢芽中胚层的相互作用,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。,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。,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。,2.,背腹轴的分化,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。,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。,3.,前后轴的特化,附肢芽前后轴的极性,：在肢芽,能识别之前就已特化,。,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,）。,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。,渐进带的相互作用是由,msx-1,和,msx-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。,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。,七、细胞死亡与指和关节的形成,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。,鸭胚和鸡胚后肢原基中细胞死亡模式的比较。,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,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。,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。,END,