Developmental Biology 第五章四肢动物肢体的发育. Developmental Biology 肢体的三个轴线肱骨尺骨桡骨腕骨

Developmental Biology

第五章四肢动物肢体的发育


肢体的三个轴线

肱骨

尺骨

桡骨

腕骨


脊椎动物肢体在结构和发育上是保守的。


一、肢芽的形成

肢体区 (limb field): 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。


寄生虫卵在肢芽中的繁殖导致多肢体的形成。


肢芽在躯干上的形成部位可能受视黄酸和 hox 基因的控制

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。


肢体细胞的来源肌肉细胞前体：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 (intermediate mesoderm) 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。


新的研究表明，侧板中胚层中将要产生肢体间质细胞的细胞分泌的 FGF10 诱导了肢芽的形成。


顶端外胚层嵴 (apical ectodermal ridge, AER) 的形成

AER ：中胚层间质细胞诱导其外侧的外胚层细胞形成突起结构，位于肢芽的远端边缘背腹交界处，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. 与控制 A － P 和 D － V 轴线的因子互作，以指导细胞的分化。

Developmental Biology 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。


AER 中 FGF8 的表达是肢体生长所必需的


肢芽形成中的分子互作模型


AER 在肢芽沿 P － D 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


AER 维持间质细胞的分裂能力、防止其形成软骨：去除 AER 中将分化为脚趾间组织的细胞，将形成额外的脚趾。


鸡的两套趾症源于肢芽上有两个 AER


用鹌鹑的 AER 取代无肢体鸡的 AER可以导致正常的肢体发育

Developmental BiologyAER 对 P － D 轴线影响的分子基础是 FGF 因子

Developmental BiologyProgress Zone (PZ) 识别和决定肢体的 P － D 轴生长程度

证据一

Progress zon

e 是指 AER 内保持了旺盛分裂能力的间质细胞区域。

不同时间离开 progress zone

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。

Developmental Biology肢体的 P-D 极性决定于 PZ 而非 AER ：证据二

老幼肢体间 AER 的互换不会出现类似现象。

老幼肢体间 PZ 细胞的互换改变 P － D 极性。

Early bud PZ to late bud

Late bud PZ to early bud


间质细胞离开 PZ 区的时间决定了其分化命运


利用突变体研究 AER 和 PZ 相互作用


Hox 基因在决定肢体 P － D 轴线中的作用


Hox 基因缺陷导致肢体相应部位的缺失


人的多指症也可能与 Hox 基因的异位表达有关


蝾螈肢体的再生

两栖类动物肢体被截除后，可以重新长出被截区的部分。肢体切除后的 6 － 12 小时内，剩余部分的表皮细胞移向窗口表面形成单细胞层表皮，再通过细胞增殖形成顶端外胚层帽 (apical ectodermal cap). 在随后的 4天中，顶端外胚层帽下的骨细胞、软骨细胞、成纤维细胞、肌细胞、神经细胞发生去分化作用，构成再生胚基 (regeneration blastema),继续增殖、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

神经细胞释放的 GGF 、

运铁蛋白、FGF2等可能有助于细胞的去分化


截肢位置信息的识别：顶端外胚层帽识别截口近端的位置

信息，并重建其远端的位置信息

Developmental Biology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 ( 远端更强 ) ，这种粘附性质可能是 P － D 位置信息的一部

分


Retinoic acid 可以改变再生肢体的位置信息，使胚基近端化 (proximalizin

g)

Developmental Biology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 )

Developmental Biology极性决定区 (zone of polarizing activity, ZPA) 位于后部间质细胞区


将额外的 ZPA 移植到肢芽的前端可导致远端形成镜像对称结构


Sonic Hedgehog 的表达部位与 ZPA吻合


Sonic Hedgehog具有 ZPA活性的实验证据


ZPA活性决定 A － P 轴线的信号传导机制

第二种模型的证据：SHH 可诱导 BMP2 的产生， BMP2 再诱导其它因子的合成。


SHH 的下游基因是 Hoxd 基因


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 ，可能与 Hoxb8 的表达有关

Developmental Biology四、肢体 D－ V轴线的确定

在背部外胚层特异性表达的 Wnt-7a 诱导背部间质细胞合成转录因子 Lmx-1 ，后者再控制肢芽背部特异性基因的表达。 Lmx-1 在背、腹间质细胞中都表达，导致双被部结构。 Engrailed 在小鼠肢芽腹部外胚层表达，其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。


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


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


Tbx5 和 Tbx4 分别指定了前肢芽和后肢芽的发育

人的 Holt-Oram Syndrome 表现为心脏和手的畸形，而脚是正常的，其 TBX5 基因发生了突变


FGF 诱导的肢体类型决定于肢芽是表达 Tbx5 或 Tbx4


Tbx4 的异位表达可改变 FGF 的诱导结果。

Developmental Biology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


决定细胞死亡的是间质细胞，而不是外胚层细胞。


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。

Developmental Biology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。

BMP7

BMP2

GDF5


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


在鱼鳍和鸡后肢中 Hox 基因的表达谱相似


不同物种的肢体骨结构是相似的


决定肢体轴线的分子机制在不同物种上是保守的


THE END

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