眼睛發(fā)育分子機(jī)制及其研究精

1、眼睛發(fā)育分子機(jī)制及發(fā)展研究姓名:王星 學(xué)號:M201171507導(dǎo)師:張賢欽有關(guān)于眼睛發(fā)育的近期研究：在2000年，美國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)晶狀體對眼睛發(fā)育起重要作用發(fā)表在« Science：美國科學(xué)家對沒有視覺的盲魚進(jìn)行健康晶狀體移植手術(shù)后使之恢復(fù) 了視力，由此表明晶狀體具有激發(fā)盲魚眼睛發(fā)育的作用。為了弄清晶狀體在激發(fā)眼睛生長中的 作用，研究人員將盲魚和跟它有密切關(guān)系、具有視覺功能的同一類魚進(jìn)行眼睛互相移植實(shí)驗(yàn)。他們在實(shí)驗(yàn)前將盲魚眼部退化的晶狀體組織去掉，然后從明 眼魚的胚胎中取出晶狀體早期組織，將之移植到發(fā)育中的盲魚眼窩內(nèi)。研究人員對每條盲魚只移植一個(gè)晶狀體，這樣可以用同一盲魚對比眼睛發(fā)育

2、情況。8天之后，杰弗里等人注意到盲魚眼部有所長大。兩個(gè)月后，盲魚長出了一個(gè)有清晰瞳孔、角 膜和虹膜的大眼睛。止匕外，移植過晶狀體的盲魚眼睛的視網(wǎng)膜上還長出了感光細(xì)胞,這種細(xì)胞在盲魚眼中原先不存在或極其稀少。另外，研究人員將盲魚退化的 晶狀體移植到了有視覺的魚眼中，但這一組織沒有發(fā)育成正常的眼睛。這一發(fā)現(xiàn)將有助于 研究人員找到與眼睛生長和發(fā)育有關(guān)的遺傳因素?？茖W(xué)家指出，導(dǎo)致失明的原因很多，但他們的發(fā)現(xiàn)將幫助科學(xué)家從遺傳角度找到影響眼睛發(fā)育的因素，并將最終幫助 科學(xué)家弄清失明機(jī)理。一、眼睛發(fā)育四個(gè)階段：1、胚眼的發(fā)生和形成；2、眼球主要組成部分的發(fā) 生； 3、眼附屬器的發(fā)育；4、出生后眼的發(fā)育。第

3、一階段：胚眼的發(fā)生和形成，在神經(jīng)胚形成之后，視窩、視泡來源于前腦 泡頭 褶的兩側(cè)出現(xiàn)凹陷，稱視窩，是眼的原基。視泡與表皮外胚層接觸后，誘導(dǎo)該處的預(yù) 定晶狀體外胚層增厚,形成晶狀體板，為晶狀體始基。視杯早期下方為一裂縫，稱為 胚裂。圍繞視杯的中胚葉組織經(jīng)胚裂進(jìn)入視杯內(nèi)形成透明樣血管系統(tǒng)（原始玻璃體動脈，營養(yǎng)視杯內(nèi)層、晶狀體泡及視杯間質(zhì)。視裂于胚胎第五周開始閉合，由中部開始晌前后延伸，當(dāng)胚長達(dá)17mm時(shí),除視莖下面外，完全閉合。玻璃體動、靜脈穿經(jīng) 玻璃體的一段退化，遺留一殘跡，稱玻璃體管（Cloquet管；其近段分化為視網(wǎng)膜中央動、靜脈。在視泡形成至胚裂閉合過程 中，包繞視杯、視柄、晶狀體泡的中胚

4、葉 逐漸分化為脈絡(luò)膜始基和鞏膜始基。此時(shí)，眼的各部組織已具雛形，即形成胚眼。第二階段：眼球主要組成部分的發(fā)生，（1視網(wǎng)膜的形成：視杯外層形成視 網(wǎng)膜色 素上皮層，并保持為單細(xì)胞層。胚胎4周時(shí)，細(xì)胞內(nèi)開始出現(xiàn)色素顆粒，至第5周時(shí)細(xì) 胞內(nèi)充滿色素。視杯內(nèi)層急劇進(jìn)行細(xì)胞增殖，最終分化成視網(wǎng)膜感 覺部（內(nèi)9層。 二層之間的空隙不久消退，形成潛在間隙。（2視網(wǎng)膜睫狀體 和虹膜的形成：胚胎第3 個(gè)月時(shí)，視杯前緣向前生長，并包繞晶體，形成睫狀體 和虹膜內(nèi)面的兩層上皮。 睫狀 體內(nèi)面的上皮，外層有色素，內(nèi)層無色素。而虹膜 內(nèi)面的兩層上皮都有色素。 虹膜 中的瞳孔括約肌和瞳孔開大肌，也是從視杯緣的外層分化而來，

5、屬于外胚層組織。 睫狀肌由睫狀體部位的中胚層增厚分化 而成。（3視神經(jīng)的形成：由胚眼的視柄發(fā)育 而來。逐漸增多的視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞軸突向視柄內(nèi)層匯集，視柄內(nèi)層增厚并與外層 融合。視柄細(xì)胞演變?yōu)樾切文z質(zhì) 細(xì)胞和少突膠質(zhì)細(xì)胞，與節(jié)細(xì)胞軸突混雜，于是視 柄演化為視神經(jīng)。僅視盤中央處有視柄細(xì)胞殘留，出生時(shí)即萎縮形成生理凹陷。 視神經(jīng)的髓鞘由腦部沿視神經(jīng)向眼側(cè)生長，出生時(shí)止于篩板后，如進(jìn)入視網(wǎng)膜則形成視網(wǎng)膜有髓鞘神經(jīng)纖維。 視神經(jīng)逐漸向中樞神經(jīng)系統(tǒng)方向生長，在腦垂體前形成視交叉。當(dāng)胚胎10周時(shí)形成 視束。（4晶狀體的形成：晶狀體泡前壁細(xì)胞始終保持上皮性質(zhì),分化為晶狀體上 皮。胚胎5周時(shí)，晶狀體泡后壁細(xì)胞逐

6、漸變長向前生長，直達(dá)前壁下面，充滿晶狀體腔, 成為初級晶狀體纖維。赤道部的晶狀體細(xì)胞在胚胎7周后開始分裂,分化成為次級 晶狀體纖維，前后相接而形成縫合線。晶狀體囊于胚胎 5-6周形成，可能為晶狀體上 皮細(xì)胞的基底膜產(chǎn)物。當(dāng)晶狀體在發(fā)育過程中受到障礙 ，可產(chǎn)生種種先天異常。 發(fā) 生不同類型的先天性白內(nèi)障或無晶狀體等。（5玻璃體的形成:原始玻璃體：由原始視泡和晶狀體泡間存在的細(xì)胞間質(zhì)形成，次級玻璃 體:由視杯內(nèi)層細(xì)胞產(chǎn)生，將原始 玻璃體擠向眼球中央和晶狀體后面，使其形成Cloquet管。三級玻璃體：即晶體懸韌 帶。由睫狀體的神經(jīng)上皮細(xì)胞分泌出纖維絲，發(fā)育成為晶體懸韌帶。（6眼球血管系 統(tǒng)的形成：玻

7、璃體血管系統(tǒng)：胚胎第3周，原始眼動脈沿視杯腹側(cè)分出玻璃體動脈經(jīng) 胚裂入視杯，到玻璃體腔內(nèi) 前行，達(dá)晶體泡的后部形成晶體血管膜。其它分支沿視杯向前至視杯邊緣,互相吻合成環(huán)狀血管并與晶體血管膜吻合。同時(shí)，未來脈絡(luò)膜毛細(xì)血管亦出現(xiàn)于視杯外面。視網(wǎng)膜中央血管系統(tǒng)：胚胎第3個(gè)月，玻璃體動脈與晶 體血管膜開始萎縮，玻璃體動脈在視盤處分出血管，逐漸形成視網(wǎng)膜中央血管系 統(tǒng)。（7色素膜的形成:虹膜基質(zhì):胚胎第6周末，體表外胚層與晶體之間中胚層組織 出現(xiàn)一裂 隙，即前房始基，由此形成前房。裂隙后壁富于血管的中胚層組織，形成虹 膜的基質(zhì)層,中央部較薄稱瞳孔膜。 胚胎第7個(gè)月時(shí),瞳孔膜中央開始萎縮,形成瞳 孔。脈絡(luò)

8、膜：胚胎長6mm時(shí)，有毛細(xì)血管網(wǎng)包圍視泡，并逐漸發(fā)育成脈絡(luò)膜。 第3個(gè) 月時(shí)，脈絡(luò)膜開始形成中血管和大血管，并引流入渦靜脈。（8角膜的形成:晶狀體泡 與表皮外胚層脫離后，外層預(yù)定角膜上皮細(xì)胞增殖形成兩層細(xì)胞。在發(fā)育中的視網(wǎng)膜和晶狀體誘導(dǎo)作用下,預(yù)定角膜上皮開始在內(nèi)表面分泌細(xì)胞外 基質(zhì)，形成初級角 膜基質(zhì),隨后問質(zhì)細(xì)胞侵入初級角膜基質(zhì)中,形成次級角膜基 質(zhì)和角膜內(nèi)皮,最后變 為透明的角膜。（9鞏膜的形成：胚胎第2個(gè)月末由視杯周圍的中胚葉開始形成,先 由角膜緣和眼外肌附著處開始形成鞏膜纖維,向后進(jìn)展，至胚胎第5個(gè)月鞏膜發(fā)育完 成。（10眼眶的發(fā)育：胚胎第4周時(shí)由圍繞視 杯周圍中胚層組織發(fā)育而成眼眶

9、，發(fā)育 較眼球緩慢，將持續(xù)到青春期。如在兒童 期摘除眼球，可影響眼眶的正常發(fā)育。隨 著眼眶的發(fā)育眶軸逐漸向前移動。視軸 亦隨之發(fā)生變化。視軸的改變對雙眼單視 的形成有很大的關(guān)系。第三階段：眼附屬器的發(fā)育；（1眼瞼和結(jié)膜的發(fā)育：眼瞼與結(jié)膜的上皮細(xì)胞 層、腺體和導(dǎo)管、睫毛由體表外胚層發(fā)生；上皮下的纖維組織、瞼板、肌肉則由 中 胚層發(fā)生。胚胎第5周，眼球前方與角膜上皮毗鄰的表面外胚層形成瞼褶 ，為眼瞼 始基。瞼褶外面的表皮外胚層形成眼瞼，內(nèi)面形成結(jié)膜,并和球結(jié)膜及角膜 上皮相 連。第9周發(fā)育出眼瞼附屬物如毛囊、 皮脂腺等，隨后出現(xiàn)睫毛，胚胎第6周時(shí)出 現(xiàn)瞼板腺。（2淚器的發(fā)育：淚器所有組織均由體表外

10、胚層發(fā)育而來。淚腺于第3 個(gè)月由上穹隆部外側(cè)結(jié)膜上皮分化而來。淚道是在第6周時(shí),體皮外胚層在外側(cè)鼻 突和上頜突之間下陷成溝，后此處上皮和表面上皮脫離，逐漸形成 管道。7個(gè)月上 下淚點(diǎn)開放。第8個(gè)月鼻淚管下口開放。直至出生時(shí)淚道完全通 暢。（3眼外肌的 發(fā)育：由視泡周圍的中胚層發(fā)育產(chǎn)生。胚胎第 3周時(shí),中胚層 組織凝集呈圓錐形，并 向前圍繞視泡，此即原始眼外肌組織。4周開始分化，第5周時(shí)已能分辨出直肌和斜肌。第6周時(shí)，各個(gè)眼肌已完全分開。第10周時(shí)，上直肌分化出上提瞼肌。第11周該肌發(fā)育完全，當(dāng)上直肌發(fā)育不全時(shí)，常同時(shí)伴有提上瞼肌發(fā)育不全。第12周時(shí),在直肌附著處中胚層組織密度增加逐漸分 化形成

11、眼球筋膜。第四階段：出生后眼的發(fā)育；胎兒出生時(shí)，眼球前后徑為12.5加15.8加，垂直徑 14.5mm17mm0出生后第一年生長較快，以后生長漸緩，青春期后又加 快，20歲左右 逐漸停止生長。第二年角膜達(dá)到成人大小，前房角在出生后繼續(xù) 張開，24歲時(shí)達(dá)到 成人大小。黃斑部中心凹于出生后4個(gè)月內(nèi)發(fā)育完善。出 生后，晶狀體第一年生長 很快，逐漸變?yōu)楸馄?一生中不斷生長，直到老年時(shí)生 長緩慢。二、眼球發(fā)育調(diào)控的分子機(jī)制：眼睛的發(fā)育過程被形象地分為三階段：特化期， 決定期和終末分化期。每一期都與特定的選擇性 基因或蛋白的表達(dá)有關(guān)，后者又受到細(xì)胞外信號通路的調(diào)控。特化期為細(xì)胞塑型早期，細(xì)胞命運(yùn)主要依賴環(huán)

12、境 因素,細(xì)胞分化具有可逆性。決定期細(xì)胞進(jìn)一步塑型，該期細(xì)胞分化為自治行為，不可逆 轉(zhuǎn),對環(huán)境信息不敏感。參與眼發(fā)育調(diào)控的基因：(1與眼球發(fā)生密切相關(guān)的基因：Pax6、Rx和Eya1和 Eya2;(2與晶狀體發(fā)育相關(guān)的基因：BMP、Pax6 Sox2、Lmaf、Six3、Prox1、 Crystallins家族等；(3與視網(wǎng)膜發(fā)育相關(guān)的基因：周圍微環(huán)境中的各種外源因子如 SHH 等。(1與眼球發(fā)生密切相關(guān)的基因：Pax6基因:Pax6基因編碼的產(chǎn)物屬于 DNA結(jié)合 蛋白家族，含有一個(gè)128-129個(gè)氨基酸的DNA結(jié)合區(qū)，稱為paired domain (PD另一 個(gè)DNA結(jié)合區(qū)為同源結(jié)構(gòu)域(h

13、omeodomain HD。Pax6蛋白通過識別、結(jié)合特定 的DNA序列而調(diào)節(jié)其靶基因的表達(dá)。PD結(jié)構(gòu)域從結(jié)構(gòu)和功能上分為兩個(gè)部 分:PAI和RED,哺乳動物Pax6基因編碼的產(chǎn)物主要有兩種：Pax6(p46和Pax6(p48 , 其它的短片段如p43, p33, p32等在細(xì)胞漿中少量 表達(dá)，無特殊功能。Pax6在眼外也有表達(dá)，但它對眼發(fā)育的調(diào)控有重要的作用。目前認(rèn)為Pax6對眼組織發(fā)育的特化作用,與它和組織特化調(diào)控因子（c-Maf,Ap-2,Sox2等、廣泛表達(dá)因 子（pRb和TFIID相互作用，以及它可以調(diào)控一 些轉(zhuǎn)錄因子（c-Maf,Maf/L-Maf,Six3 和Prox1的表達(dá)有關(guān)

14、。Rx基因:Rx（retinal homebox家族是一類與視覺神經(jīng)系統(tǒng) 發(fā)育密切相關(guān)的 同源 異型基因，調(diào)控眼基質(zhì)、視泡、 視網(wǎng)膜、前腦以及中腦部分區(qū)域的發(fā)育。 據(jù)目前的 研究結(jié)果，Rx基因與視覺神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育 的關(guān)系可以簡述為：按胚胎發(fā)育的時(shí)間與空 間順序,Rx基因調(diào)控眼睛和其他腦區(qū)的發(fā)育。眼缺失（eye absent®因:眼缺失基因也在胚眼的發(fā)育過程中表達(dá)。在果 蠅中 Eya1和Eya2基因的缺失將導(dǎo)致無眼或小眼球；人類和小鼠的相應(yīng)基因缺陷 可以導(dǎo) 致支氣管-耳-腎綜合征。（2與視網(wǎng)膜發(fā)育相關(guān)的基因：視網(wǎng)膜發(fā)育的基因調(diào)控從視泡、視杯發(fā)育到神經(jīng) 視網(wǎng)膜、視網(wǎng)膜色素上皮的分化進(jìn)一步發(fā)

15、育分化成為精細(xì)的視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)，需要精確 的時(shí)間和空間的基因表達(dá)調(diào)控。脊椎動物的視網(wǎng)膜包括六種類型的神經(jīng)元和一種神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞，構(gòu)成精細(xì)的細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)。視網(wǎng)膜發(fā)育過程 中，各種類型的細(xì)胞都是由多能視網(wǎng)膜神經(jīng)前體細(xì)胞發(fā)育而來的。視網(wǎng)膜神經(jīng)系統(tǒng)的正常發(fā)育受干細(xì)胞本身和它所 處的環(huán)境因素影響而決定。SHH因子：在視網(wǎng)膜的發(fā)育過程中，視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞表達(dá)產(chǎn) 生SHH蛋白， SHH蛋白是調(diào)節(jié)視網(wǎng)膜神經(jīng)細(xì)胞分化的重要信號分子，對于視網(wǎng)膜的神經(jīng)形成和 正常分層的過程十分必要，它能夠促進(jìn)哺乳動物視網(wǎng)膜神經(jīng)上皮發(fā)育分化，且SHH信號途徑參與調(diào)控視網(wǎng)膜神經(jīng)細(xì)胞再生。bHLH轉(zhuǎn)錄因子家族：在脊椎動物中，bHLH家族中的H

16、es1和Hes2在Notch/Delta信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的下游發(fā)揮作用，抑制視網(wǎng)膜神經(jīng)元的分化Pax6是保持視網(wǎng)膜神經(jīng)前體細(xì)胞多能性必需的，同時(shí)Pax6促進(jìn)bHLH轉(zhuǎn)錄因 子家族中的Ngn2、Mashl和Mash5基因的表達(dá)，這些基因的表達(dá)是決定 視網(wǎng)膜神 經(jīng)元傾向分化所不可或缺。Proxl參與胚胎視網(wǎng)膜的發(fā)育，Proxl基因在胚胎視網(wǎng)膜發(fā)育期間兩次被打開 和關(guān)閉，通過Proxl基因敲 除小鼠模型的研究，發(fā)現(xiàn)這個(gè)基因是視網(wǎng)膜中水 平細(xì)胞層 的正確發(fā)育所必需的，水平層細(xì)胞重要負(fù)責(zé)處理視桿細(xì)胞傳遞過來的信 息。Vax1與Vax2在視泡區(qū)域表達(dá)并作用于視杯的發(fā)育，Vax與其它同源異形 盒基 因（如Rx

17、, Rax、Chx10等相互作用共同調(diào)節(jié)視覺神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育。（3晶狀體發(fā)育：晶狀體的形成是一系列誘導(dǎo)者對預(yù)定晶狀體外胚層細(xì)胞連續(xù)誘導(dǎo)和作用的結(jié)果。視泡與表皮外胚層接觸、晶狀體板的形成，至少取決于兩個(gè)方面的因素：視泡 發(fā)出誘導(dǎo)信號；預(yù)定發(fā)育成品狀體的表皮外胚葉接受誘導(dǎo)刺激產(chǎn)生反應(yīng)。其中晶狀體誘導(dǎo)作用對晶狀體的形成非常重要，晶狀體誘導(dǎo)現(xiàn)象是指臨近的組織通過信號的 傳遞影響晶狀體細(xì)胞的變化，從而對晶狀體的形成 進(jìn)行調(diào)控。Six3基因Six3通過直接激活Pax6發(fā)揮功能。Pax6基因被認(rèn)為是眼睛發(fā) 育的 總指揮官"。在沒有Six3的情況下，Pax6不能調(diào)節(jié)其它一系列 負(fù)責(zé)晶狀體發(fā) 育的 基因

18、的活性。晶體蛋白基因晶狀體發(fā)育過程中特征性表達(dá)和積聚水溶性蛋白-晶體蛋白。晶 體蛋白必須透明，有一定的屈光度，能夠保持晶狀體的完整。晶體蛋白分為兩種：組織廣泛表達(dá)的 為晶體蛋白，6 丫晶體蛋白和某些動物晶狀體中特 異表達(dá)的晶體 蛋白（大部分這種蛋白具有酶活性，稱為晶體蛋白酶。Pax6基因在晶狀體發(fā)育過程中，Pax6基因在表皮外胚葉發(fā) 揮作用，而不是在視 泡中。對蟾蛛胚胎晶狀體發(fā)育的研 究表明，Pax6基因的表達(dá)在晶狀體發(fā) 育過程中 是必需的和充足的。Pax6基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控極其復(fù)雜，Pax6基因有超過40個(gè)高度保 守的非編碼序列區(qū)域，這些保守區(qū)域的一部分是具有轉(zhuǎn)錄增強(qiáng)子的活性。Pax6基因轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游約3.5kb處，存在一個(gè)340個(gè)堿基組成的高度 保守區(qū)域。這個(gè)區(qū)域 具有增強(qiáng)子活性，稱為外胚葉增強(qiáng)子（EE。通過研究先天性無虹膜患者Pax6基因 的3'端的突變位點(diǎn)發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)在3'端有一個(gè)序列-SIMO在晶狀體的發(fā)育過程中起增 強(qiáng)子的作用。晶狀體的正常發(fā)育需要EE的參與。EE純合敲除的小鼠表現(xiàn)為晶狀 體發(fā)育異常。EE的功能主要是加強(qiáng)鼻側(cè)晶狀體板 Pax6基因的表達(dá)，同時(shí)至少還有 另一增強(qiáng)子，可能