發(fā)育生物學(xué)第十四章-附肢的發(fā)育

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)的一個重要課題。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)作用。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。1精選版課件ppt第一節(jié)脊椎動物附肢的發(fā)育脊椎動物的附肢是一個極其復(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。附肢在三個基本軸上是不對稱的，但左前肢總是和右前肢呈鏡面對稱。脊椎動物的附肢都是由體壁中胚層和外部的表皮共同組成的。2精選版課件ppt雞前肢內(nèi)骨的排列模式及其不對稱性3精選版課件ppt孵化10天的完整雞翅標本，示三個發(fā)育軸：近側(cè)-遠側(cè)軸、前后軸及背腹軸。4精選版課件ppt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（basicmorphogeneticrules）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。現(xiàn)在已鑒定了一系列蛋白，在附肢近遠軸、前后軸和背腹軸的形成過程中發(fā)揮作用。5精選版課件ppt一、附肢的起源附肢場的形成：Hox基因和視黃酸RA脊椎動物的附肢在起源上是由胚胎體壁向外生長形成的，主要是由來自中胚層的疏松間質(zhì)形成的中央核，以及來自外胚層的表皮兩大部分組成。附肢的原基稱為附肢芽（limbbud）。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的水平?jīng)Q定。6精選版課件ppt雞胚胎的肢芽。孵化后第三天胚胎的側(cè)面出現(xiàn)肢芽7精選版課件ppt許多脊椎動物胚胎中的預(yù)定附肢區(qū)（prospectivelimbarea）已被定位。能形成一個附肢的所有細胞，稱為附肢場/域（limbfield），包括位于中央的、產(chǎn)生附肢本身的中胚層細胞（附肢盤，limbdisc）以及形成周圍的軀干組織和肩帶/腰帶的細胞。附肢場起初具有調(diào)節(jié)失去或增加部分附肢的能力，附肢場中的每個細胞都能被指令形成附肢的任意一部分。8精選版課件ppt美西螈（Ambystomamaculatum）的預(yù)定前肢場9精選版課件pptHylaregila的早期后肢場被許多寄生的線蟲卵分隔開，形成多附肢的蝌蚪，示附肢場的調(diào)整能力。10精選版課件ppt視黃酸RA對于肢芽的向外生長具有重要的意義。用藥物阻斷RA的合成，將抑制肢芽最初的形成。Hensen’s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，促使這些細胞形成肢場。RA還可以引起再生尾中的同源轉(zhuǎn)化現(xiàn)象（homeotictransformation）。11精選版課件pptA，RA處理蝌蚪的尾巴引起肢的再生；C，RA處理促進肢芽的形成（箭頭所指部位）。12精選版課件ppt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)細胞的增殖。體節(jié)中胚層細胞沿胚胎長軸的增殖，逐漸在表皮的下面形成厚的間質(zhì)細胞團，可能與兩對附肢形成的位置有關(guān)。13精選版課件ppt兩棲類胚胎中附肢由中胚層起源的圖解14精選版課件ppt覆蓋在間質(zhì)細胞團表面的表皮變得稍微增厚，同時被包裹在內(nèi)部的間質(zhì)細胞團向外突出，形成肢芽（limbbud）。肢芽形成的信號是由形成預(yù)定附肢間質(zhì)細胞的側(cè)板中胚層細胞提供的，這些細胞分泌的FGF10能夠啟動上皮和中胚層細胞之間的相互作用。含有FGF10的磁珠（bead）異位放置于上皮下方，會誘導(dǎo)出額外的肢芽。15精選版課件pptFGF10的表達及其在雞肢發(fā)育過程中的作用。16精選版課件ppt三、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。17精選版課件pptTBX4和TBX5在肢型特化中的作用18精選版課件pptTBX4和TBX5在FGF10誘導(dǎo)形成的肢芽中的表達19精選版課件ppt異位表達TBX4，可以使FGF10誘導(dǎo)形成的前肢轉(zhuǎn)變?yōu)楹笾?0精選版課件ppt四、頂外胚層嵴的形成隨著鳥類和哺乳類的中胚層間質(zhì)細胞進入肢區(qū)，它們分泌的因子誘導(dǎo)肢芽頂端前、后邊緣的外胚層細胞伸長，形成一個增厚的特殊結(jié)構(gòu)，稱為頂外胚層嵴（apicalectodermridge，AER）。AER是一個臨時的結(jié)構(gòu)，對于附肢的繼續(xù)向外生長是至關(guān)重要的。21精選版課件ppt間質(zhì)細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合成的時間和位置都是適當?shù)?。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，由于沒有背腹交界，便不能形成AER。22精選版課件ppt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精選版課件ppt附肢的向外生長涉及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附肢的向外生長是最重要的。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)存在依賴于位于其下方的中胚層。24精選版課件pptAER與位于其下的中胚層的相互作用25精選版課件ppt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：第一，中胚層起始附肢芽向外生長和形成AER；第二，AER進一步刺激肢芽的向外生長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精選版課件ppt五、附肢發(fā)育時期軸的建立脊椎動物完全形成的附肢包含三個軸的發(fā)育：近遠軸（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、背腹軸和近遠軸。27精選版課件ppt近遠軸的發(fā)育附肢沿近遠軸的分化是由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是由于位于AER下面間質(zhì)細胞的增殖，而AER釋放的分子維持間質(zhì)細胞不斷進行分裂。由AER合成、釋放到其下的間質(zhì)中的成纖維細胞生長因子FGF可能是雞胚中維持間質(zhì)細胞增殖的分子。28精選版課件pptAER和附肢芽中胚層的相互作用29精選版課件ppt外胚層嵴頂端對于肢芽近遠軸圖式的發(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；在發(fā)育后期將AER去除，可得到較為完整的肢。

30精選版課件ppt生長因子可以替代頂外胚層嵴。將AER切除后，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。31精選版課件ppt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精選版課件ppt從體節(jié)發(fā)出的信號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看Notch受體信號的參與。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，有可能特化為將來的腹部區(qū)域。33精選版課件ppt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，而Engrailed基因在腹部外胚層中表達。lmx-1基因在背中胚層中被Wnt-7a誘導(dǎo)表達，并且參與背部結(jié)構(gòu)的確定。

34精選版課件ppt前后軸的特化附肢芽前后軸的極性是在肢芽能識別之前就已特化。有兩種主要模型用來解釋前后軸的特化。一種是極化活動區(qū)（zoneofpolarizingactivity，ZPA）可擴散形態(tài)發(fā)生子模型（ZPAdiffusiblemorphogenmodel）。另一種是極性坐標模型（thepolarcoordinatemodel）。35精選版課件ppt六、同源基因在附肢發(fā)育中的作用現(xiàn)代研究認為附肢是通過特異基因在特定細胞中的表達決定的，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附肢場的邊界與誘導(dǎo)能力有關(guān)，而此邊界是由同源基因的表達模式?jīng)Q定的。36精選版課件ppt漸進帶的相互作用是由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基因起初在整個早期的附肢芽中表達，但此后變得局限于直接位于AER下方的漸進帶間質(zhì)中表達。msx-2基因起初是在AER和前部的間質(zhì)中的表達。37精選版課件ppt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)生小指的細胞表達所有這些基因，而在前部邊緣形成拇指的細胞只表達Hoxd-9。顯然，在不同Hox-D基因的表達中存在一個編碼特化前后指的模式。38精選版課件ppt七、細胞死亡與指和關(guān)節(jié)的形成脊椎動物附肢中特定細胞的死亡是可遺傳的程序性細胞死亡，是進化過程中經(jīng)自然選擇形成的。細胞死亡在指/趾的成形過程中，特別是關(guān)節(jié)形成和手指的分離中起著重要的作用。39精選版課件ppt鴨胚和雞胚后肢原基中細胞死亡模式的比較。40精選版課件ppt雞胚趾間細胞的程序性死亡信號可能由BMP發(fā)出，封阻BMP的受體將會阻止這些細胞的程序性死亡。nogginexpressiondominantnegativeBMPreceptor41精選版課件ppt在附肢的正常發(fā)育過程中，BMP既可以誘導(dǎo)間質(zhì)細胞發(fā)生凋亡，也可以刺激它們分化為軟骨形成細胞，這要取決于它們所處的發(fā)育階段。在關(guān)節(jié)形