第十四章附肢的發(fā)育和再生培訓(xùn)資料

1、第十四章 附肢的發(fā)育(fy)和再生第一頁，共45頁。概述概述(i sh)v附肢發(fā)育的研究是發(fā)育生物學(xué)的一個重要課題附肢發(fā)育的研究是發(fā)育生物學(xué)的一個重要課題(kt)。脊椎動物，特別是鳥類和兩棲類附肢（。脊椎動物，特別是鳥類和兩棲類附肢（limb）的發(fā)育包含了大量的、各種各樣的誘導(dǎo)作）的發(fā)育包含了大量的、各種各樣的誘導(dǎo)作用。用。v有尾類的蠑螈和美西螈附肢具有明顯的再生能力有尾類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。，是研究再生的極好模型。第二頁，共45頁。第一節(jié)第一節(jié) 脊椎動物脊椎動物(jzhudngw)附肢的附肢的發(fā)育發(fā)育v脊椎動物的附肢是一個脊椎動物的附肢是一個(y )極

2、其復(fù)雜的器官，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。每一塊骨和肌肉的位置都被精密地組織在一起。v附肢在三個基本軸上是不對稱的，但左前肢總是附肢在三個基本軸上是不對稱的，但左前肢總是和右前肢呈鏡面對稱。和右前肢呈鏡面對稱。v脊椎動物的附肢都是由體壁中胚層和外部表皮共脊椎動物的附肢都是由體壁中胚層和外部表皮共同組成。同組成。第三頁，共45頁。雞翅內(nèi)骨的排列(pili)模式及其不對稱性第四頁，共45頁。孵化孵化(fhu)10天的完整雞翅標(biāo)本天的完整雞翅標(biāo)本示三個發(fā)育(fy)軸：近側(cè)-遠(yuǎn)側(cè)軸、前后軸及背腹軸。前部(qin b)的 后部的 近側(cè)的 遠(yuǎn)側(cè)的 背側(cè)的 腹側(cè)的 第五頁，共4

3、5頁。v在所有的四足動物在所有的四足動物(dngw)中，附肢發(fā)育的基本形態(tài)發(fā)中，附肢發(fā)育的基本形態(tài)發(fā)生原則是相同的。生原則是相同的。v構(gòu)建一個附肢所需要的位置信息要在一個三維（或包括構(gòu)建一個附肢所需要的位置信息要在一個三維（或包括時間在內(nèi)的四維）的、相互協(xié)調(diào)的系統(tǒng)中發(fā)揮作用?，F(xiàn)時間在內(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程中發(fā)揮作用。軸的形成過程中發(fā)揮作用。第六頁，共45頁。一、附肢的起源一、附肢的起源(qyun)v脊椎動物的附肢在起源上是由胚胎脊椎動物的附肢在起源上是由胚胎(piti

4、)體壁向外生體壁向外生長形成的，主要是由來自中胚層的疏松間質(zhì)形成的中長形成的，主要是由來自中胚層的疏松間質(zhì)形成的中央核，以及來自外胚層的表皮兩大部分組成。央核，以及來自外胚層的表皮兩大部分組成。v附肢的原基稱為附肢芽（附肢的原基稱為附肢芽（limb bud）。）。v附肢芽形成的位置在每一物種是恒定的，由附肢芽形成的位置在每一物種是恒定的，由Hox基因基因沿身體前后軸表達(dá)的水平?jīng)Q定。沿身體前后軸表達(dá)的水平?jīng)Q定。第七頁，共45頁。雞胚胎雞胚胎(piti)的肢芽的肢芽孵化(fhu)后第三天胚胎的側(cè)面出現(xiàn)肢芽。翅肢芽腿肢芽頂外胚層嵴體節(jié)(t ji) 第八頁，共45頁。附肢域附肢域v 能形成一個能形成一

5、個(y )附肢的所有細(xì)胞，稱為附肢域（附肢的所有細(xì)胞，稱為附肢域（limb field）或附肢場。）或附肢場。v 附肢域包括位于中央的、產(chǎn)生附肢本身的中胚層細(xì)胞（附附肢域包括位于中央的、產(chǎn)生附肢本身的中胚層細(xì)胞（附肢盤，肢盤，limb disc）以及形成周圍的軀干組織和肩帶）以及形成周圍的軀干組織和肩帶/腰帶細(xì)腰帶細(xì)胞。胞。v 附肢域起初具有調(diào)節(jié)失去或增加部分附肢的能力，附肢域附肢域起初具有調(diào)節(jié)失去或增加部分附肢的能力，附肢域中的每個細(xì)胞都能被指令形成附肢的任意一部分中的每個細(xì)胞都能被指令形成附肢的任意一部分-調(diào)和等調(diào)和等能系統(tǒng)。能系統(tǒng)。第九頁，共45頁。美西螈（美西螈（Ambystoma m

6、aculatum）的預(yù)定）的預(yù)定(ydng)前肢場前肢場第十頁，共45頁。第十一頁，共45頁。A，RA處理蝌蚪的尾巴引起(ynq)肢的再生； C，RA處理促進(jìn)肢芽的形成（箭頭所指部位）。第十二頁，共45頁。二、附肢的早期二、附肢的早期(zoq)發(fā)育發(fā)育v附肢早期附肢早期(zoq)發(fā)育的第一個跡象：發(fā)育的第一個跡象：v預(yù)定形成附肢的細(xì)胞從附肢域側(cè)板中胚層（附肢骨骼的預(yù)定形成附肢的細(xì)胞從附肢域側(cè)板中胚層（附肢骨骼的前體）和體節(jié)中胚層（附肢肌肉的前體）分離出來，轉(zhuǎn)前體）和體節(jié)中胚層（附肢肌肉的前體）分離出來，轉(zhuǎn)變成一團(tuán)間質(zhì)細(xì)胞，這些間質(zhì)細(xì)胞向側(cè)面遷移到側(cè)板中變成一團(tuán)間質(zhì)細(xì)胞，這些間質(zhì)細(xì)胞向側(cè)面遷移到

7、側(cè)板中胚層和表皮之間，牢固地貼附于表皮內(nèi)表面。胚層和表皮之間，牢固地貼附于表皮內(nèi)表面。第十三頁，共45頁。兩棲類胚胎兩棲類胚胎(piti)中附肢由中胚層起源的圖中附肢由中胚層起源的圖解解肢芽 第十四頁，共45頁。肢芽肢芽v 覆蓋在間質(zhì)細(xì)胞團(tuán)表面的表皮變得稍微覆蓋在間質(zhì)細(xì)胞團(tuán)表面的表皮變得稍微(showi)增厚，同增厚，同時被包裹在內(nèi)部的間質(zhì)細(xì)胞團(tuán)向外突出，形成肢芽（時被包裹在內(nèi)部的間質(zhì)細(xì)胞團(tuán)向外突出，形成肢芽（limb bud）。）。肢芽中胚層細(xì)胞(xbo) 第十五頁，共45頁。成纖維細(xì)胞生長因子成纖維細(xì)胞生長因子 FGF10v形成預(yù)定附肢間質(zhì)細(xì)胞中的側(cè)板中胚層細(xì)胞形成預(yù)定附肢間質(zhì)細(xì)胞中的側(cè)板

8、中胚層細(xì)胞提供提供(tgng)肢芽形成的信號，這些細(xì)胞分肢芽形成的信號，這些細(xì)胞分泌的泌的FGF10能夠啟動上皮和中胚層細(xì)胞之間能夠啟動上皮和中胚層細(xì)胞之間的相互作用。的相互作用。v含有含有FGF10的磁珠（的磁珠（bead）異位放置于上皮）異位放置于上皮下方，會誘導(dǎo)出額外的肢芽。下方，會誘導(dǎo)出額外的肢芽。第十六頁，共45頁。FGF10的表達(dá)及其在雞肢發(fā)育的表達(dá)及其在雞肢發(fā)育(fy)過程中的過程中的作用作用第十七頁，共45頁。三、前肢三、前肢(qinzh)和后肢的特化和后肢的特化vGain-of-function實驗結(jié)果表明，轉(zhuǎn)錄因子實驗結(jié)果表明，轉(zhuǎn)錄因子TBX4和和TBX5分別與后肢和前肢的

9、特化有關(guān)分別與后肢和前肢的特化有關(guān)(yugun)。vLoss-of-function資料也表明，人類資料也表明，人類TBX5基基因缺失會導(dǎo)致上肢和心臟的異常，但下肢基因缺失會導(dǎo)致上肢和心臟的異常，但下肢基本不受影響。本不受影響。第十八頁，共45頁。TBX4 和和TBX5在肢型特化中的作用在肢型特化中的作用(zuyng)第十九頁，共45頁。TBX4和和TBX5在在FGF10誘導(dǎo)誘導(dǎo)(yudo)形成的肢芽中的形成的肢芽中的表達(dá)表達(dá)第二十頁，共45頁。異位表達(dá)TBX4，可以使FGF10誘導(dǎo)形成(xngchng)的前肢轉(zhuǎn)變?yōu)楹笾诙豁?，?5頁。四、頂外胚層嵴的形成四、頂外胚層嵴的形成(xngch

10、ng)v隨著鳥類和哺乳類的中胚層間質(zhì)細(xì)胞進(jìn)入肢區(qū)隨著鳥類和哺乳類的中胚層間質(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，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，形成一個增厚的特殊結(jié)構(gòu)外胚層細(xì)胞伸長，形成一個增厚的特殊結(jié)構(gòu)(jigu)，稱為頂外胚層嵴（，稱為頂外胚層嵴（apical ectoderm ridge，AER）。）。AER是一個臨時的結(jié)構(gòu)是一個臨時的結(jié)構(gòu)(jigu)，對于附肢的繼續(xù)向外生長是至關(guān)重要，對于附肢的繼續(xù)向外生長是至關(guān)重要的。的。第二十二頁，共45頁。v間質(zhì)細(xì)胞分泌(fnm)的因子可能是FGF10，其他的FGF因子如FGF2、FGF4和FGF8雖然也可

11、以誘導(dǎo)AER的形成，但FGF10合成的時間和位置都是適當(dāng)?shù)?。vFGF10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，由于沒有背腹交界，便不能形成AER。第二十三頁，共45頁。掃描電鏡觀察掃描電鏡觀察(gunch)孵化孵化4.5 天的雞胚肢芽天的雞胚肢芽顯示(xinsh)頂外胚層嵴AER背側(cè) 腹側(cè) 第二十四頁，共45頁。附肢發(fā)育附肢發(fā)育(fy)中外胚層和中胚層間的相互中外胚層和中胚層間的相互作用作用第二十五頁，共45頁。AER與位于與位于(wiy)其下的中胚層的相互作用其下的中胚層的相互作用v 在附肢發(fā)育期間(qjin)任何時間除去AER，遠(yuǎn)端附肢的進(jìn)一步發(fā)育停止。v 當(dāng)額

12、外的AER移植到附肢芽上將形成超數(shù)附肢結(jié)構(gòu)，通常朝向附肢遠(yuǎn)端。v 將腿間質(zhì)直接置于翅的AER下方，遠(yuǎn)端的后肢結(jié)構(gòu)（趾）在附肢末端發(fā)育（然而，如果腿間質(zhì)離AER較遠(yuǎn)，后肢間質(zhì)進(jìn)入翅的結(jié)構(gòu)）。v 當(dāng)非附肢的中胚層移植到AER下方，則AER退化，附肢發(fā)育停止。第二十六頁，共45頁。附肢發(fā)育附肢發(fā)育(fy)中外胚層和中胚層間的相互作用中外胚層和中胚層間的相互作用v附肢發(fā)育中至少要求三種類型的外胚層和中胚層間的相附肢發(fā)育中至少要求三種類型的外胚層和中胚層間的相互作用：互作用：v第一第一(dy)，中胚層起始附肢芽向外生長和形成，中胚層起始附肢芽向外生長和形成AER；v第二，第二，AER進(jìn)一步刺激肢芽的向外

13、生長以及肢芽中胚層進(jìn)一步刺激肢芽的向外生長以及肢芽中胚層的增殖和分化；的增殖和分化；v第三，附肢芽中胚層提供保持第三，附肢芽中胚層提供保持AER所必須的刺激。所必須的刺激。第二十七頁，共45頁。五、附肢發(fā)育五、附肢發(fā)育(fy)時期軸的建時期軸的建立立v脊椎動物脊椎動物(jzhudngw)完全形成的附肢包含三個軸的發(fā)完全形成的附肢包含三個軸的發(fā)育：近遠(yuǎn)軸（育：近遠(yuǎn)軸（proximal-distal, P-D）、背腹軸（）、背腹軸（dorsal-ventral，D-V）和前后軸（）和前后軸（anterior-posterior, A-P）。）。v附肢發(fā)育中三個軸的建立具有各自的時間性，它們好像是附

14、肢發(fā)育中三個軸的建立具有各自的時間性，它們好像是按下列順序決定的：前后軸、背腹軸和近遠(yuǎn)軸。按下列順序決定的：前后軸、背腹軸和近遠(yuǎn)軸。第二十八頁，共45頁。1.近遠(yuǎn)軸的發(fā)育近遠(yuǎn)軸的發(fā)育(fy)v 附肢沿近遠(yuǎn)軸的分化：由附肢沿近遠(yuǎn)軸的分化：由AER和附肢中胚層誘導(dǎo)的相互作和附肢中胚層誘導(dǎo)的相互作用產(chǎn)生的。用產(chǎn)生的。v 附肢芽的逐漸向外生長：附肢芽的逐漸向外生長：v 由于位于由于位于AER下面間質(zhì)細(xì)胞的增殖；下面間質(zhì)細(xì)胞的增殖；v AER釋放的分子（成纖維細(xì)胞生長因子釋放的分子（成纖維細(xì)胞生長因子FGF）維持間質(zhì)）維持間質(zhì)細(xì)胞不斷進(jìn)行細(xì)胞不斷進(jìn)行(jnxng)分裂。分裂。由AER合成(hchng)、

15、釋放到其下的間質(zhì)中的成纖維細(xì)胞生長因子FGF可能是雞胚中維持間質(zhì)細(xì)胞增殖的分子。第二十九頁，共45頁。AER和附肢芽中胚層的相互作用第三十頁，共45頁。外胚層嵴頂端對于肢芽近遠(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)致肢芽生長的停止(tngzh)；在發(fā)育后期將AER去除，可得到較為完整的肢。 第三十一頁，共45頁。生長因子可以生長因子可以(ky)替代頂外胚層嵴替代頂外胚層嵴將AER切除(qich)后，移植能釋放生長因子FGF-8的玻璃珠，可使肢幾乎正常發(fā)育。第三十二頁，共45頁。背腹軸的分化背腹軸的分化在雞翅中，沿背腹軸有一很清晰在雞翅中，沿背腹軸有一很清晰(qngx)的圖式。

16、背腹軸的組成部分的圖式。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)育形胚層決定，并在背腹軸之間發(fā)育形成頂外胚層嵴。成頂外胚層嵴。在突變小鼠中控制著脊椎動物肢的背在突變小鼠中控制著脊椎動物肢的背腹軸的基因已經(jīng)被確定。腹軸的基因已經(jīng)被確定。 Wnt-7a基基因在肢背部中胚層圖示形成中起到因在肢背部中胚層圖示形成中起到關(guān)鍵作用。關(guān)鍵作用。2.背腹軸的分化(fnhu)第三十三頁，共45頁。v從體節(jié)發(fā)出的信號參與背部從體節(jié)發(fā)出的信號參與背部(bi b)外胚層外胚層的確定。在雞翅芽中，背腹外胚層界線的建的確定。在雞翅芽中，背腹外胚層界線的建立明顯

17、有來看立明顯有來看Notch受體信號的參與。受體信號的參與。v含有含有homeobox的基因的基因Engrailed-1在在AER形形成之前就已經(jīng)在附肢腹部的外胚層特異地表成之前就已經(jīng)在附肢腹部的外胚層特異地表達(dá)，有可能特化為將來的腹部區(qū)域。達(dá)，有可能特化為將來的腹部區(qū)域。第三十四頁，共45頁。外胚層控制發(fā)育中肢的背腹軸圖式的形成。Wnt-7a在背部(bi b)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(bi b)結(jié)構(gòu)的確定。 第三十五頁，共45頁。3.前后前后(qinhu)軸的特化軸的特化v 附肢芽前后軸的極性：在

18、肢芽能識別之前就已特化。附肢芽前后軸的極性：在肢芽能識別之前就已特化。v 有兩種主要模型用來解釋前后軸的特化。有兩種主要模型用來解釋前后軸的特化。v 一種一種(y zhn)是極化活動區(qū)（是極化活動區(qū)（zone of polarizing activity，ZPA）可擴(kuò)散形態(tài)發(fā)生子模型（）可擴(kuò)散形態(tài)發(fā)生子模型（ZPA diffusible morphogen model）。）。v 另一種另一種(y zhn)是極性坐標(biāo)模型（是極性坐標(biāo)模型（the polar coordinate model）。）。第三十六頁，共45頁。第三十七頁，共45頁。v漸進(jìn)帶的相互作用是由漸進(jìn)帶的相互作用是由msx-1和和

19、msx-2基因調(diào)基因調(diào)節(jié)的節(jié)的v AER和位于其下的間質(zhì)的相互作用是由和位于其下的間質(zhì)的相互作用是由msx-1和和msx-2基因產(chǎn)物調(diào)節(jié)的?；虍a(chǎn)物調(diào)節(jié)的。 msx-1基因基因起初在整個早期的附肢芽中表達(dá)起初在整個早期的附肢芽中表達(dá)(biod)，但，但此后變得局限于直接位于此后變得局限于直接位于AER下方的漸進(jìn)帶下方的漸進(jìn)帶間質(zhì)中表達(dá)間質(zhì)中表達(dá)(biod)。msx-2基因起初是在基因起初是在AER和前部的間質(zhì)中的表達(dá)和前部的間質(zhì)中的表達(dá)(biod)。第三十八頁，共45頁。由同源基因決定前后軸和指的特性由同源基因決定前后軸和指的特性HoxD基因家族（基因家族（Hoxd-9到到Hoxd13）的表達(dá)模）的表達(dá)模式在小鼠附肢芽的后部邊緣是重疊的。這意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)生小指味著在后部邊緣產(chǎn)生小