發(fā)育生物學(xué)第十四章-附肢的發(fā)育

,*,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),*,第十四章 附肢的發(fā)育,附肢發(fā)育的研究是發(fā)育生物學(xué)的一個(gè)重要課題,。脊椎動(dòng)物，特別是鳥(niǎo)類(lèi)和兩棲類(lèi)附肢（,limb,）的發(fā)育包含了大量的、各種各樣的誘導(dǎo)作用。,有尾類(lèi)的蠑螈和美西螈附肢具有明顯的再生能力，,是研究再生的極好模型。,1,第一節(jié) 脊椎動(dòng)物附肢的發(fā)育,脊椎動(dòng)物的附肢是一個(gè)極其復(fù)雜的器官，每一塊骨和肌肉的位置都被精密地組織在一起。,附肢在三個(gè)基本軸上是不對(duì)稱(chēng)的，但左前肢總是和右前肢呈鏡面對(duì)稱(chēng),。,脊椎動(dòng)物的附肢都是由體壁中胚層和外部的表皮共同組成的,。,2,雞前肢內(nèi)骨的排列模式及其不對(duì)稱(chēng)性,3,孵化,10,天的完整雞翅標(biāo)本，示三個(gè)發(fā)育軸：近側(cè),-,遠(yuǎn)側(cè)軸、前后軸及背腹軸。,4,在所有的四足動(dòng)物中，附肢發(fā)育的,基本形態(tài)發(fā)生原則（,basic morphogenetic rules,）,是相同的。,構(gòu)建一個(gè)附肢所需要的位置信息要,在一個(gè)三維（或包括時(shí)間在內(nèi)的四維）的、相互協(xié)調(diào)的系統(tǒng)中發(fā)揮作用,?，F(xiàn)在已鑒定了一系列蛋白，在附肢近遠(yuǎn)軸、前后軸和背腹軸的形成過(guò)程中發(fā)揮作用。,5,一、附肢的起源,附肢場(chǎng)的形成：,Hox,基因和視黃酸,RA,脊椎動(dòng)物的附肢在起源上是由胚胎體壁向外生長(zhǎng)形成的,，主要是由來(lái)自中胚層的疏松間質(zhì)形成的,中央核,，以及來(lái)自外胚層的,表皮,兩大部分組成。,附肢的原基稱(chēng)為附肢芽（,limb bud,）,。附肢芽形成的位置在每一物種是恒定的，由,Hox,基因沿身體前后軸表達(dá)的水平?jīng)Q定。,6,雞胚胎的肢芽。,孵化后第三天胚胎的側(cè)面出現(xiàn)肢芽,7,許多脊椎動(dòng)物胚胎中的,預(yù)定附肢區(qū),（,prospective limb area,）已被定位。,能形成一個(gè)附肢的所有細(xì)胞，稱(chēng)為附肢場(chǎng),/,域（,limb field,）,，包括位于中央的、產(chǎn)生附肢本身的中胚層細(xì)胞（附肢盤(pán)，,limb disc,）以及形成周?chē)能|干組織和肩帶,/,腰帶的細(xì)胞。,附肢場(chǎng)起初具有調(diào)節(jié)失去或增加部分附肢的能力,，附肢場(chǎng)中的每個(gè)細(xì)胞都能被指令形成附肢的任意一部分。,8,美西螈（,Ambystoma maculatum,）的預(yù)定前肢場(chǎng),9,Hyla regila,的早期后肢場(chǎng)被許多寄生的線蟲(chóng)卵分隔開(kāi)，形成多附肢的蝌蚪，,示附肢場(chǎng)的調(diào)整能力,。,10,視黃酸,RA,對(duì)于肢芽的向外生長(zhǎng)具有重要的意義,。用藥物阻斷,RA,的合成，將抑制肢芽最初的形成。,Hensens,結(jié)可能是產(chǎn)生,RA,的源泉,。沿身體前后軸呈梯度分布的,RA,可以激活某些同源框基因，促使這些細(xì)胞形成肢場(chǎng)。,RA,還可以引起再生尾中的,同源轉(zhuǎn)化現(xiàn)象,（,homeotic transformation,）。,11,A,，,RA,處理蝌蚪的尾巴引起肢的再生；,C,，,RA,處理促進(jìn)肢芽的形成（箭頭所指部位）。,12,二、附肢的早期發(fā)育,1,附肢發(fā)育中外胚層和中胚層間的相互作用,附肢發(fā)育起始于肢場(chǎng),側(cè)板中胚層,（四肢骨的前體）和,體節(jié)中胚層,（四肢肌肉的前體）間質(zhì)細(xì)胞的增殖。,體節(jié)中胚層細(xì)胞,沿胚胎長(zhǎng)軸的增殖，逐漸在表皮的下面形成厚的間質(zhì)細(xì)胞團(tuán)，可能與,兩對(duì)附肢形成的位置有關(guān),。,13,兩棲類(lèi)胚胎中附肢由中胚層起源的圖解,14,覆蓋在間質(zhì)細(xì)胞團(tuán)表面的表皮變得稍微增厚，同時(shí)被包裹在內(nèi)部的間質(zhì)細(xì)胞團(tuán)向外突出，形成,肢芽（,limb bud,）,。,肢芽形成的信號(hào)是由形成預(yù)定附肢間質(zhì)細(xì)胞的側(cè)板中胚層細(xì)胞提供的，這些細(xì)胞分泌的,FGF10,能夠啟動(dòng)上皮和中胚層細(xì)胞之間的相互作用,。含有,FGF10,的磁珠（,bead,）異位放置于上皮下方，會(huì)誘導(dǎo)出額外的肢芽。,15,FGF10,的表達(dá)及其在雞肢發(fā)育過(guò)程中的作用。,16,三、前肢和后肢的特化,Gain-of-function,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，,轉(zhuǎn)錄因子,TBX4,和,TBX5,分別與后肢和前肢的特化有關(guān),。,Loss-of-function,資料也表明，人類(lèi),TBX5,基因缺失會(huì)導(dǎo)致上肢和心臟的異常，但下肢基本不受影響。,17,TBX4,和,TBX5,在肢型特化中的作用,18,TBX4,和,TBX5,在,FGF10,誘導(dǎo)形成的肢芽中的表達(dá),19,異位表達(dá),TBX4,，可以使,FGF10,誘導(dǎo)形成的前肢轉(zhuǎn)變?yōu)楹笾?20,四、頂外胚層嵴的形成,隨著鳥(niǎo)類(lèi)和哺乳類(lèi)的中胚層間質(zhì)細(xì)胞進(jìn)入肢區(qū)，它們分泌的因子誘導(dǎo),肢芽頂端前、后邊緣的外胚層細(xì)胞伸長(zhǎng)，形成一個(gè)增厚的特殊結(jié)構(gòu)，稱(chēng)為頂外胚層嵴（,apical ectoderm ridge,，,AER,）,。,AER,是一個(gè)臨時(shí)的結(jié)構(gòu)，對(duì)于附肢的繼續(xù)向外生長(zhǎng)是至關(guān)重要的。,21,間質(zhì)細(xì)胞分泌的因子可能是,FGF10,，其他的,FGF,因子如,FGF2,、,FGF4,和,FGF8,雖然也可以誘導(dǎo),AER,的形成，但,FGF10,合成的時(shí)間和位置都是適當(dāng)?shù)摹?FGF10,能夠誘導(dǎo)雞胚背腹交界處的外胚層形成,AER,。在背部化的肢芽突變體中，由于沒(méi)有背腹交界，便不能形成,AER,。,22,掃描電鏡觀察孵化,4.5,天的雞胚肢芽，顯示頂外胚層嵴,AER,。,23,附肢的向外生長(zhǎng)涉及,AER,和中胚層間持續(xù)的相互作用。,一旦中胚層誘導(dǎo)其上方的外胚層形成,AER,，,AER,與中胚層的相互作用對(duì)附肢的向外生長(zhǎng)是最重要的。,中胚層在附肢發(fā)育中也起著關(guān)鍵的作用。,AER,起初的形成和繼續(xù)存在依賴(lài)于位于其下方的中胚層。,24,AER,與位于其下的中胚層的相互作用,25,附肢發(fā)育中至少要求三種類(lèi)型的外胚層和中胚層間的相互作用,：第一，中胚層起始附肢芽向外生長(zhǎng)和形成,AER,；第二，,AER,進(jìn)一步刺激肢芽的向外生長(zhǎng)以及肢芽中胚層的增殖和分化；第三，附肢芽中胚層提供保持,AER,所必須的刺激。,26,五、附肢發(fā)育時(shí)期軸的建立,脊椎動(dòng)物完全形成的附肢包含三個(gè)軸的發(fā)育：,近遠(yuǎn)軸,（,proximal-distal,P-D,）、,背腹軸,（,dorsal-ventral,，,D-V,）和,前后軸,（,anterior-posterior,A-P,）。,附肢發(fā)育中三個(gè)軸的建立具有各自的時(shí)間性，它們好像是按下列順序決定的：,前后軸、背腹軸和近遠(yuǎn)軸,。,27,近遠(yuǎn)軸的發(fā)育,附肢沿近遠(yuǎn)軸的分化是由,AER,和附肢中胚層誘導(dǎo)的相互作用產(chǎn)生的。,附肢芽的逐漸向外生長(zhǎng)是由于位于,AER,下面間質(zhì)細(xì)胞的增殖，而,AER,釋放的分子維持間質(zhì)細(xì)胞不斷進(jìn)行分裂。,由,AER,合成、釋放到其下的間質(zhì)中的成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子,FGF,可能是雞胚中維持間質(zhì)細(xì)胞增殖的分子,。,28,AER,和附肢芽中胚層的相互作用,29,外胚層嵴頂端對(duì)于肢芽近遠(yuǎn)軸圖式的發(fā)育是必須的。,從正在發(fā)育的肢芽中去除,AER,，將導(dǎo)致肢芽生長(zhǎng)的停止；在發(fā)育后期將,AER,去除，可得到較為完整的肢。,30,生長(zhǎng)因子可以替代頂外胚層嵴。,將,AER,切除后，移植能釋放生長(zhǎng)因子,FGF-8,的玻璃珠，可使肢幾乎正常發(fā)育。,31,背腹軸的分化,在雞翅中，沿背腹軸有一很清晰的圖式。背腹軸的組成部分是由早期雞胚胎預(yù)定肢芽區(qū)域的外胚層決定，并在背腹軸之間發(fā)育形成頂外胚層嵴。,在突變小鼠中控制著脊椎動(dòng)物肢的背腹軸的基因已經(jīng)被確定。,Wnt-7a,基因在肢背部中胚層圖示形成中起到關(guān)鍵作用,。,32,從體節(jié)發(fā)出的信號(hào)參與背部外胚層的確定。,在雞翅芽中，背腹外胚層界線的建立明顯有來(lái)看,Notch,受體信號(hào)的參與。,含有,homeobox,的基因,Engrailed-1,在,AER,形成之前就已經(jīng)在附肢腹部的外胚層特異地表達(dá)，有可能特化為將來(lái)的腹部區(qū)域。,33,外胚層控制發(fā)育中肢的背腹軸圖式的形成。,Wnt-7a,在背部外胚層中表達(dá)，而,Engrailed,基因在腹部外胚層中表達(dá)。,lmx-1,基因在背中胚層中被,Wnt-7a,誘導(dǎo)表達(dá)，并且參與背部結(jié)構(gòu)的確定。,34,前后軸的特化,附肢芽前后軸的極性是在肢芽能識(shí)別之前就已特化。,有兩種主要模型用來(lái)解釋前后軸的特化。一種是,極化活動(dòng)區(qū)（,zone of polarizing activity,，,ZPA,）可擴(kuò)散形態(tài)發(fā)生子模型,（,ZPA diffusible morphogen model,）。另一種是,極性坐標(biāo)模型,（,the polar coordinate model,）。,35,六、同源基因在附肢發(fā)育中的作用,現(xiàn)代研究認(rèn)為附肢是通過(guò)特異基因在特定細(xì)胞中的表達(dá)決定的，同源基因可用于解釋附肢發(fā)育中的所有主要現(xiàn)象。,同源基因決定附肢場(chǎng),附肢場(chǎng)的邊界與誘導(dǎo)能力有關(guān)，而此邊界是由同源基因的表達(dá)模式?jīng)Q定的。,36,漸進(jìn)帶的相互作用是由,msx-1,和,msx-2,基因調(diào)節(jié)的,AER,和位于其下的間質(zhì)的相互作用是由,msx-1,和,msx-2,基因產(chǎn)物調(diào)節(jié)的。,msx-1,基因起初在整個(gè)早期的附肢芽中表達(dá)，但此后變得局限于直接位于,AER,下方的漸進(jìn)帶間質(zhì)中表達(dá)。,msx-2,基因起初是在,AER,和前部的間質(zhì)中的表達(dá)。,37,由同源基因決定前后軸和指的特性,HoxD,基因家族（,Hoxd-9,到,Hoxd13,）的表達(dá)模式在小鼠附肢芽的后部邊緣是重疊的。,這意味著在后部邊緣產(chǎn)生小指的細(xì)胞表達(dá)所有這些基因，而在前部邊緣形成拇指的細(xì)胞只表達(dá),Hoxd-9,。顯然，,在不同,Hox-D,基因的表達(dá)中存在一個(gè)編碼特化前后指的模式,。,38,七、細(xì)胞死亡與指和關(guān)節(jié)的形成,脊椎動(dòng)物附肢中特定細(xì)胞的死亡是可遺傳的,程序性細(xì)胞死亡,，是進(jìn)化過(guò)程中經(jīng)自然選擇形成的。,細(xì)胞死亡在指,/,趾的成形過(guò)程中，特別是關(guān)節(jié)形成和手指的分離中起著重要的作用。,39,鴨胚和雞胚后肢原基中細(xì)胞死亡模式的比較。,40,雞胚趾間細(xì)胞的程序性死亡信號(hào)可能由,BMP,發(fā)出，封阻,BMP,的受體將會(huì)阻止這些細(xì)胞的程序性死亡。,noggin,expression,dominant negative BMP receptor,41,在附肢的正常發(fā)育過(guò)程中，,BMP,既可以誘導(dǎo)間質(zhì)細(xì)胞發(fā)生凋亡，也可以刺激它們分化為軟骨形成細(xì)胞，這要取決于它們所處的發(fā)育階段。,在關(guān)節(jié)形成過(guò)程中，,BMP7,可以促進(jìn)軟骨的形成，而,BMP2,和,GDF5,在骨之間的位置表達(dá)，促進(jìn)關(guān)節(jié)的形成,。,42,BMP,蛋白可能參與了軟骨的穩(wěn)定和關(guān)節(jié)的形成過(guò)程。雞肢形成晚期，,BMP7,（,A,）和,BMP2,（,B,）的表達(dá)。,43,Noggin,蛋白的作用。,C,，,16.5,天正常小鼠前肢中,GDF5,在關(guān)節(jié)形成處表達(dá)；,D,，,Noggin,缺陷型突變體小鼠中不表達(dá),GDF5,，也不形成關(guān)節(jié)。,44,