附肢的发育与再生

第十三章 附肢的发育和再生n 附肢发育的研究是发育生物学的一个重要课题 。脊椎动物，特别是鸟类和两栖类附肢（ limb）的发育包含了大量的、各种各样的诱导作用。n 有尾类的蝾螈和美西螈附肢具有明显的再生能力， 是研究再生的极好模型。第十三章附肢的发育和再生山东师范大学生命科学学院第一节 脊椎动物附肢的发育n 脊椎动物的附肢是一个极其复杂的器官，每一块骨和肌肉的位置都被精密地组织在一起。 附肢在三个基本轴上是不对称的，但左前肢总是和右前肢呈镜面对称 。n 脊椎动物的附肢都是由体壁中胚层和外部的表皮共同组成的 。鸡翅内骨的排列模式及其不对称性孵化 10天的完整鸡翅标本，示三个发育轴：近侧 -远侧轴、前后轴及背腹轴。n 在所有的四足动物中，附肢发育的 基本形态发生原则（ basic morphogenetic rules） 是相同的。n 构建一个附肢所需要的位置信息要在一个三维（或包括时间在内的四维）的、相互协调的系统中发挥作用。现在已鉴定了一系列蛋白，在附肢近远轴、前后轴和背腹轴的形成过程中发挥作用。一、肢芽的形成附肢场的形成： Hox基因和视黄酸 RAn 脊椎动物的附肢在起源上是由胚胎体壁向外生长形成的 ，主要是由来自中胚层的疏松间质形成的 中央核 ，以及来自外胚层的表皮 两大部分组成。n 附肢的原基称为附肢芽（ limb bud） 。附肢芽形成的位置在每一物种是恒定的，由 Hox基因沿身体前后轴表达的水平决定。鸡胚胎的肢芽。 孵化后第三天胚胎的侧面出现肢芽n 许多脊椎动物胚胎中的 预定附肢区 （prospective limb area）已被定位。 能形成一个附肢的所有细胞，称为附肢场（ limb field） ，包括位于中央的、产生附肢本身的中胚层细胞（附肢盘， limb disc）以及形成周围的躯干组织和肩带 /腰带的细胞。n 附肢场起初具有调节失去或增加部分附肢的能力 ，附肢场中的每个细胞都能被指令形成附肢的任意一部分。美西螈（ Ambystoma maculatum）的预定前肢场Hyla regila的早期后肢场被许多寄生的线虫卵分隔开，形成多附肢的蝌蚪，示附肢场的调整能力。n 视黄酸 RA对于肢芽的向外生长具有重要的意义 。用药物阻断 RA的合成，将抑制肢芽最初的形成。n Hensens结可能是产生 RA的源泉 。沿身体前后轴呈梯度分布的 RA可以激活某些同源框基因，促使这些细胞形成肢场。 RA还可以引起再生尾中的同源转化现象（ homeotic transformation） 。A， RA处理蝌蚪的尾巴引起肢的再生； C， RA处理促进肢芽的形成（箭头所指部位）。二、附肢的早期发育1 附肢发育中外胚层和中胚层间的相互作用n 附肢发育起始于肢场 侧板中胚层 （四肢骨的前体）和 体节中胚层 （四肢肌肉的前体）间质细胞的增殖。n 体节中胚层细胞 沿胚胎长轴的增殖，逐渐在表皮的下面形成厚的间质细胞团，可能与 两对附肢形成的位置有关 。两栖类胚胎中附肢由中胚层起源的图解n 覆盖在间质细胞团表面的表皮变得稍微增厚，同时被包裹在内部的间质细胞团向外突出，形成 肢芽（ limb bud） 。n 肢芽形成的信号是由形成预定附肢间质细胞的侧板中胚层细胞提供的，这些细胞分泌的 FGF10能够启动上皮和中胚层细胞之间的相互作用 。含有 FGF10的磁珠（ bead）异位放置于上皮下方，会诱导出额外的肢芽。FGF10的表达及其在鸡肢发育过程中的作用。三、前肢和后肢的特化n Gain-of-function实验结果表明， 转录因子TBX4和 TBX5分别与后肢和前肢的特化有关 。n Loss-of-function资料也表明，人类 TBX5基因缺失会导致上肢和心脏的异常，但下肢基本不受影响。TBX4 和 TBX5在肢型特化中的作用TBX4和 TBX5在 FGF10诱导形成的肢芽中的表达异位表达TBX4，可以使 FGF10诱导形成的前肢转变为后肢四、顶外胚层嵴的形成n 随着鸟类和哺乳类的中胚层间质细胞进入肢区，它们分泌的因子诱导 肢芽顶端前、后边缘的外胚层细胞伸长，形成一个增厚的特殊结构，称为顶外胚层嵴（ apical ectoderm ridge， AER） 。 AER是一个临时的结构，对于附肢的继续向外生长是至关重要的。n 间质细胞分泌的因子可能是 FGF10，其他的FGF因子如 FGF2、 FGF4和 FGF8虽然也可以诱导 AER的形成，但 FGF10合成的时间和位置都是适当的。n FGF10能够诱导鸡胚背腹交界处的外胚层形成 AER。在背部化的肢芽突变体中，由于没有背腹交界，便不能形成 AER。扫描电镜观察孵化 4.5 天的鸡胚肢芽，显示顶外胚层嵴 AER。 附肢的向外生长涉及 AER和中胚层间持续的相互作用。n 一旦中胚层诱导其上方的外胚层形成 AER， AER与中胚层的相互作用对附肢的向外生长是最重要的。n 中胚层在附肢发育中也起着关键的作用。AER起初的形成和继续存在依赖于位于其下方的中胚层。AER与位于其下的中胚层的相互作用n 附肢发育中至少要求三种类型的外胚层和中胚层间的相互作用 ：第一，中胚层起始附肢芽向外生长和形成 AER；第二， AER进一步刺激肢芽的向外生长以及肢芽中胚层的增殖和分化；第三，附肢芽中胚层提供保持 AER所必须的刺激。五、附肢发育时期轴的建立n 脊椎动物完全形成的附肢包含三个轴的发育： 近远轴 （ proximal-distal, P-D）、 背腹轴 （ dorsal-ventral， D-V）和 前后轴 （anterior-posterior, A-P）。n 附肢发育中三个轴的建立具有各自的时间性，它们好像是按下列顺序决定的： 前后轴、背腹轴和近远轴 。近远轴的发育n 附肢沿近远轴的分化是由 AER和附肢中胚层诱导的相