第七章器官發(fā)生二四肢

1、第七章器官發(fā)生二四肢在所有的四足動物中，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。四肢的三個軸向具有固定的相對位置，不同部位的結(jié)構(gòu)容易區(qū)分。是一個相對獨立的“等能調(diào)和系統(tǒng)”。軸向的確定、圖示形成、相同細胞的區(qū)域化、細胞的遷移和凋亡、神經(jīng)軸突的生長導(dǎo)入。肢體的三個軸線肱骨尺骨橈骨腕骨脊椎動物肢體在結(jié)構(gòu)和發(fā)育上是保守的。一、肢芽的形成及其位置決定 肢體區(qū)(limb field): 由有能力形成一個肢體的中胚層細胞所組成的區(qū)域。沿體軸兩側(cè)形成四個特定的圓形區(qū)域

2、。 肢體區(qū)細胞的特點：區(qū)域性、可調(diào)節(jié)性。寄生蟲卵在肢芽中的繁殖導(dǎo)致多肢體的形成。肢芽在軀干上的形成部位可能受視黃酸和hox基因的控制在脊椎動物的胚胎發(fā)育中，四肢只能在體軸兩側(cè)的特定區(qū)域發(fā)生，對稱地排列在身體中線兩側(cè)。如多種動物的前肢芽都出現(xiàn)于Hoxc-6表達譜的最前部邊界，即第一胸椎所處位置。人胚發(fā)育到26d左右，腹部外側(cè)出現(xiàn)小丘狀的上肢芽，兩天后出現(xiàn)下肢芽。雞胚在發(fā)育至15-20對體節(jié)時，肢芽開始發(fā)生。第一個跡象是體節(jié)中胚層細胞沿胚胎長軸的增殖，逐漸在表皮下形成加厚的細胞團，這部分細胞團分離出來形成一團間質(zhì)細胞并遷移、貼附于表皮的內(nèi)表面。實驗證明，細胞增殖的起始階段好像受附近中腎的調(diào)節(jié)。側(cè)板

3、中胚層的增厚和隨后表皮下一團間質(zhì)的形成可能與兩對附肢的位置緊密相關(guān)。在羊膜動物中，這種增厚和間質(zhì)的聚集沿身體的整個長度形成一條縱行的嵴，稱為烏爾夫氏嵴。此嵴的前后兩處的增厚部分增殖較快，逐漸發(fā)育為前肢和后肢，中間相對較薄的部分此后消失。二、附肢（四肢）的早期發(fā)育雞胚胎的肢芽。孵化后第三天胚胎的側(cè)面出現(xiàn)肢芽肢芽由中胚層構(gòu)成，其上覆有外胚層，肢芽的邊緣是增厚的外胚層嵴，即頂外胚層嵴。肢體細胞的來源肌肉細胞前體：來源于體節(jié)的軸下生肌區(qū)；骨細胞前體：側(cè)板中胚層的體細胞區(qū)間質(zhì)細胞。 肢芽的形成受來自于中間中胚層如腎前體的信號誘導(dǎo)，移去中腎或在中腎與肢芽細胞間插入不透膜可使肢芽停止增大。兩棲類胚胎中附肢由

4、中胚層起源的圖解新的研究表明，側(cè)板中胚層中將要產(chǎn)生肢體間質(zhì)細胞的細胞分泌的FGF10誘導(dǎo)了肢芽的形成。前肢芽和后肢芽的成軟骨細胞對信號因子的反應(yīng)及纖粘連蛋白的沉積方式不同三、前肢和后肢發(fā)育機制有所不同Tbx5和Tbx4分別指定了前肢芽和后肢芽的發(fā)育人的Holt-Oram Syndrome表現(xiàn)為心臟和手的畸形，而腳是正常的，其TBX5基因發(fā)生了突變前肢和后肢的特化Gain-of-function實驗結(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TBX5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。TBX4 和TBX5在肢型特

5、化中的作用人的Holt-Oram Syndrome表現(xiàn)為心臟和手的畸形，而腳是正常的，其TBX5基因發(fā)生了突變FGF誘導(dǎo)的肢體類型決定于肢芽是表達Tbx5或Tbx4Tbx4的異位表達可改變FGF的誘導(dǎo)結(jié)果。一、頂端外胚層嵴(apical ectodermal ridge, AER)的形成 AER：中胚層間質(zhì)細胞誘導(dǎo)其外側(cè)的外胚層細胞形成突起結(jié)構(gòu)，位于肢芽的遠端邊緣背腹交界處，是肢體生長的主要信號中心。 AER的作用： 1. 維持其內(nèi)側(cè)的間質(zhì)細胞的增生 能力，使肢體沿Proximal Distal軸線生長。2. 維持AP軸線控制因子的表 達。3. 與控制AP和DV軸線的因 子互作，以指導(dǎo)細胞的分

6、化。第二節(jié) 肢體近遠端軸線的圖式形成 AER的形成依賴于背部外胚層和腹部外胚層的互作 證據(jù)：將一個肢芽的腹部外胚層細胞移植到另一肢芽的背部外胚層中，將產(chǎn)生一個額外的AER；在肢芽外胚層背部化的突變體上，因缺少腹部外胚層而不能生成AER，造成無肢體。二、AER介導(dǎo)肢體發(fā)育中不同胚層間的相互誘導(dǎo)作用肢芽形成中的分子互作模型AER在肢芽沿PD軸線生長中的作用說明AER是維持間質(zhì)細胞分裂、推動肢體向外生長所必需的說明AER影響A-P軸線說明間質(zhì)細胞決定了肢體的類型說明間質(zhì)細胞是維持AER所必需的 AER維持間質(zhì)細胞的分裂能力、防止其形成軟骨：去除AER中將分化為腳趾間組織的細胞，將形成額外的腳趾。雞的

7、兩套趾癥源于肢芽上有兩個AER用鵪鶉的AER取代無肢體雞的AER可以導(dǎo)致正常的肢體發(fā)育AER對PD軸線影響的 分子基礎(chǔ)是FGF因子Summerbell等制定了在雞胚附肢發(fā)育中近-遠軸建立的漸進帶模型:在附肢內(nèi)中胚層細胞的命運是由它們在附肢頂端被稱為漸進帶的區(qū)域中保留多長時間決定的。首先被推離漸進帶的細胞脫離AER的影響，將形成附肢最近端的成分，而在漸進帶中保持較長時間的細胞將形成附肢較遠端的成分。說明了：中胚層細胞一旦離開漸進帶和脫離AER的影響，其命運就被不可逆的固定了；一個細胞的位置信息是由其受AER影響的時間長短決定的。不同結(jié)果-分歧：可能由于胚胎發(fā)育時間的影響。三、肢體遠近軸圖式的形成

8、依賴于漸進區(qū)的發(fā)育Progress Zone (PZ) 識別和決定肢體的PD軸生長程度證 據(jù) 一 Progress zone是指AER內(nèi)保持了旺盛分裂能力的間質(zhì)細胞區(qū)域。 不同時間離開progress zone的細胞分化為不同的軟骨。證據(jù)之一是，在不同時間去除AER，所形成的肢體骨不同。肢體的P-D極性決定于PZ而非AER：證據(jù)二老幼肢體間AER的互換不會出現(xiàn)類似現(xiàn)象。老幼肢體間PZ細胞的互換改變PD極性。Early bud PZ to late budLate bud PZ to early bud間質(zhì)細胞離開PZ區(qū)的時間決定了其分化命運利用突變體研究AER和PZ相互作用四、Hox基因在決定

9、肢體PD軸線中的作用Hox基因缺陷導(dǎo)致肢體相應(yīng)部位的缺失人的多指癥也可能與Hox基因的異位表達有關(guān)蠑螈肢體的再生 兩棲類動物肢體被截除后，可以重新長出被截區(qū)的部分。 肢體切除后的612小時內(nèi)，剩余部分的表皮細胞移向窗口表面形成單細胞層表皮，再通過細胞增殖形成頂端外胚層帽(apical ectodermal cap). 在隨后的4天中，頂端外胚層帽下的骨細胞、軟骨細胞、成纖維細胞、肌細胞、神經(jīng)細胞發(fā)生去分化作用，構(gòu)成再生胚基(regeneration blastema),繼續(xù)增殖、分化形成肢體結(jié)構(gòu)。肢體的再生分神經(jīng)依賴性和非神經(jīng)依賴性兩個階段神經(jīng)細胞釋放的GGF、運鐵蛋白、FGF2等可能有助于細

10、胞的去分化截肢位置信息的識別：頂端外胚層帽識別截口近端的位置信息，并重建其遠端的位置信息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細胞表面的粘附特性不同(遠端更強)，這種粘附性質(zhì)可能是PD位置信息的一部分Retinoic acid可以改變再生肢體的位置信息，使胚基近端化(proximalizing)第三節(jié) 肢體AP軸線的圖示形成 雞的肢芽尚未形成之前，其AP和DV軸線就已經(jīng)確定。(移植的肢芽的極性不受受體胚胎極性的影響)極性決定區(qū)(zone of polarizing activity, ZPA)位于后部間質(zhì)細胞區(qū)將額外的ZPA移植到肢芽的前端可導(dǎo)致遠端形成鏡像對稱結(jié)構(gòu)Sonic

11、Hedgehog的表達部位與ZPA吻合Sonic Hedgehog具有ZPA活性的實驗證據(jù)ZPA活性決定AP軸線的信號傳導(dǎo)機制 第二種模型的證據(jù)：SHH可誘導(dǎo)BMP2的產(chǎn)生，BMP2再誘導(dǎo)其它因子的合成。SHH的下游基因是Hoxd基因AER中的信號分子對于激活和維持SHH的表達起重要作用AER中的FGF8不能誘導(dǎo)前部合成SHH，可能與Hoxb8的表達有關(guān)第四節(jié) 肢體DV軸線的圖式形成 在背部外胚層特異性表達的Wnt-7a誘導(dǎo)背部間質(zhì)細胞合成轉(zhuǎn)錄因子Lmx-1，后者再控制肢芽背部特異性基因的表達。Lmx-1在背、腹間質(zhì)細胞中都表達，導(dǎo)致雙被部結(jié)構(gòu)。 Engrailed在小鼠肢芽腹部外胚層表達，其

12、突變體的肢芽腹部外胚層可表達Wnt-7a，從而形成雙背部結(jié)構(gòu)。一、肢體背腹軸圖式的確定敲除Wnt-7a的小鼠的腳掌有鏡像對稱的雙腹部結(jié)構(gòu)敲除Wnt-7a的小鼠的腳掌缺少后部趾，說明其也影響AP極性肢體的三個軸在圖式發(fā)生過程中相互影響。肢體三個軸的圖式形成過程存在相互依賴關(guān)系。二、三個軸在圖式形成過程中的相互影響第五節(jié) 附肢中組織類型的決定中央濃縮的核區(qū)細胞最終分化成軟骨，外面包圍著血管層，向外是無血管區(qū)，變?yōu)榻Y(jié)締組織、皮膚的真皮和血管區(qū)周圍的肌肉群。具有其獨特的形成模式。體外實驗證明，組成附肢芽的細胞是多潛能的。一、肢體遠端結(jié)構(gòu)的形態(tài)發(fā)生-細胞凋亡與趾的形成兩棲類動物的趾的形成依賴于趾區(qū)和趾間

13、區(qū)生長速度的差異決定細胞死亡的是間質(zhì)細胞，而不是外胚層細胞。 在早期肢芽中，BMP2、BMP4、BMP7在趾間組織中表達，促進趾間組織的凋亡，趾區(qū)表達的noggin可拮抗BMP。 但在較后期的肢體中，BMP促進間質(zhì)細胞分化為軟骨。骨形成蛋白BMP2、BMP7、GDF5在關(guān)節(jié)形成中的作用在noggin-/-小鼠胚胎中，BMP7使所有間質(zhì)細胞轉(zhuǎn)變?yōu)檐浌羌毎?，?dǎo)致無趾關(guān)節(jié)；含GDF5突變的人無趾關(guān)節(jié)，GDF5和BMP2的作用可能是殺死關(guān)節(jié)間的間質(zhì)細胞或使其快速分化。BMP7BMP2GDF5二、肢體關(guān)節(jié)的形態(tài)發(fā)生三、肢體的進化3.64億年前泥盆紀的四肢動物的肢體近端結(jié)構(gòu)與魚鰭相似在魚鰭和雞后肢中Hox

14、基因的表達譜相似不同物種的肢體骨結(jié)構(gòu)是相似的決定肢體軸線的分子機制在不同物種上是保守的第六節(jié) 人四肢發(fā)生的過程第26天，胚胎腹側(cè)出現(xiàn)上肢芽，兩天后出現(xiàn)下肢芽，肢芽成為將來的上肢和下肢，肢體先呈漿狀，然后伸長，末端出現(xiàn)凹溝，溝成為膜狀蹼，蹼以后消失，第52-55天成為分開的指（趾）.人類四肢常見先天性畸形種類甚多，可發(fā)生在肢體的上、中、下各段。一類是肢體缺失，包括橫向和縱向肢體缺失。前者即先天性短肢，如無臂、無手、無指等、下肢亦然?？v向肢體缺如有上肢橈側(cè)或尺側(cè)缺失，下肢脛側(cè)或腓側(cè)缺失。還有海豹樣手或足畸形，表現(xiàn)為手或足長在短小的肢體上，或直接長在軀干上。另一類是肢體分化障礙，如某塊肌或肌群缺如、關(guān)節(jié)發(fā)育不良、骨畸形、骨融合、多指（趾）、并指（趾）畸形等。此外，馬蹄內(nèi)翻足（即足底內(nèi)翻）亦較常見。先天性髖關(guān)節(jié)脫位，較常見，