第十四章附肢的发育和再生培训资料

1、第十四章 附肢的发育(fy)和再生第一页，共45页。概述概述(i sh)v附肢发育的研究是发育生物学的一个重要课题附肢发育的研究是发育生物学的一个重要课题(kt)。脊椎动物，特别是鸟类和两栖类附肢（。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）的发育包含了大量的、各种各样的诱导作用。用。v有尾类的蝾螈和美西螈附肢具有明显的再生能力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。，是研究再生的极好模型。第二页，共45页。第一节第一节 脊椎动物脊椎动物(jzhudngw)附肢的附肢的发育发育v脊椎动物的附肢是一个脊椎动物的附肢是一个(y )极

2、其复杂的器官，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。每一块骨和肌肉的位置都被精密地组织在一起。v附肢在三个基本轴上是不对称的，但左前肢总是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。和右前肢呈镜面对称。v脊椎动物的附肢都是由体壁中胚层和外部表皮共脊椎动物的附肢都是由体壁中胚层和外部表皮共同组成。同组成。第三页，共45页。鸡翅内骨的排列(pili)模式及其不对称性第四页，共45页。孵化孵化(fhu)10天的完整鸡翅标本天的完整鸡翅标本示三个发育(fy)轴：近侧-远侧轴、前后轴及背腹轴。前部(qin b)的 后部的 近侧的 远侧的 背侧的 腹侧的 第五页，共4

3、5页。v在所有的四足动物在所有的四足动物(dngw)中，附肢发育的基本形态发中，附肢发育的基本形态发生原则是相同的。生原则是相同的。v构建一个附肢所需要的位置信息要在一个三维（或包括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。轴的形成过程中发挥作用。第六页，共45页。一、附肢的起源一、附肢的起源(qyun)v脊椎动物的附肢在起源上是由胚胎脊椎动物的附肢在起源上是由胚胎(piti

4、)体壁向外生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。央核，以及来自外胚层的表皮两大部分组成。v附肢的原基称为附肢芽（附肢的原基称为附肢芽（limb bud）。）。v附肢芽形成的位置在每一物种是恒定的，由附肢芽形成的位置在每一物种是恒定的，由Hox基因基因沿身体前后轴表达的水平决定。沿身体前后轴表达的水平决定。第七页，共45页。鸡胚胎鸡胚胎(piti)的肢芽的肢芽孵化(fhu)后第三天胚胎的侧面出现肢芽。翅肢芽腿肢芽顶外胚层嵴体节(t ji) 第八页，共45页。附肢域附肢域v 能形成一个能形成一

5、个(y )附肢的所有细胞，称为附肢域（附肢的所有细胞，称为附肢域（limb field）或附肢场。）或附肢场。v 附肢域包括位于中央的、产生附肢本身的中胚层细胞（附附肢域包括位于中央的、产生附肢本身的中胚层细胞（附肢盘，肢盘，limb disc）以及形成周围的躯干组织和肩带）以及形成周围的躯干组织和肩带/腰带细腰带细胞。胞。v 附肢域起初具有调节失去或增加部分附肢的能力，附肢域附肢域起初具有调节失去或增加部分附肢的能力，附肢域中的每个细胞都能被指令形成附肢的任意一部分中的每个细胞都能被指令形成附肢的任意一部分-调和等调和等能系统。能系统。第九页，共45页。美西螈（美西螈（Ambystoma m

6、aculatum）的预定）的预定(ydng)前肢场前肢场第十页，共45页。第十一页，共45页。A，RA处理蝌蚪的尾巴引起(ynq)肢的再生； C，RA处理促进肢芽的形成（箭头所指部位）。第十二页，共45页。二、附肢的早期二、附肢的早期(zoq)发育发育v附肢早期附肢早期(zoq)发育的第一个迹象：发育的第一个迹象：v预定形成附肢的细胞从附肢域侧板中胚层（附肢骨骼的预定形成附肢的细胞从附肢域侧板中胚层（附肢骨骼的前体）和体节中胚层（附肢肌肉的前体）分离出来，转前体）和体节中胚层（附肢肌肉的前体）分离出来，转变成一团间质细胞，这些间质细胞向侧面迁移到侧板中变成一团间质细胞，这些间质细胞向侧面迁移到

7、侧板中胚层和表皮之间，牢固地贴附于表皮内表面。胚层和表皮之间，牢固地贴附于表皮内表面。第十三页，共45页。两栖类胚胎两栖类胚胎(piti)中附肢由中胚层起源的图中附肢由中胚层起源的图解解肢芽 第十四页，共45页。肢芽肢芽v 覆盖在间质细胞团表面的表皮变得稍微覆盖在间质细胞团表面的表皮变得稍微(showi)增厚，同增厚，同时被包裹在内部的间质细胞团向外突出，形成肢芽（时被包裹在内部的间质细胞团向外突出，形成肢芽（limb bud）。）。肢芽中胚层细胞(xbo) 第十五页，共45页。成纤维细胞生长因子成纤维细胞生长因子 FGF10v形成预定附肢间质细胞中的侧板中胚层细胞形成预定附肢间质细胞中的侧板

8、中胚层细胞提供提供(tgng)肢芽形成的信号，这些细胞分肢芽形成的信号，这些细胞分泌的泌的FGF10能够启动上皮和中胚层细胞之间能够启动上皮和中胚层细胞之间的相互作用。的相互作用。v含有含有FGF10的磁珠（的磁珠（bead）异位放置于上皮）异位放置于上皮下方，会诱导出额外的肢芽。下方，会诱导出额外的肢芽。第十六页，共45页。FGF10的表达及其在鸡肢发育的表达及其在鸡肢发育(fy)过程中的过程中的作用作用第十七页，共45页。三、前肢三、前肢(qinzh)和后肢的特化和后肢的特化vGain-of-function实验结果表明，转录因子实验结果表明，转录因子TBX4和和TBX5分别与后肢和前肢的

9、特化有关分别与后肢和前肢的特化有关(yugun)。vLoss-of-function资料也表明，人类资料也表明，人类TBX5基基因缺失会导致上肢和心脏的异常，但下肢基因缺失会导致上肢和心脏的异常，但下肢基本不受影响。本不受影响。第十八页，共45页。TBX4 和和TBX5在肢型特化中的作用在肢型特化中的作用(zuyng)第十九页，共45页。TBX4和和TBX5在在FGF10诱导诱导(yudo)形成的肢芽中的形成的肢芽中的表达表达第二十页，共45页。异位表达TBX4，可以使FGF10诱导形成(xngchng)的前肢转变为后肢第二十一页，共45页。四、顶外胚层嵴的形成四、顶外胚层嵴的形成(xngch

10、ng)v随着鸟类和哺乳类的中胚层间质细胞进入肢区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，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外胚层细胞伸长，形成一个增厚的特殊结构(jigu)，称为顶外胚层嵴（，称为顶外胚层嵴（apical ectoderm ridge，AER）。）。AER是一个临时的结构是一个临时的结构(jigu)，对于附肢的继续向外生长是至关重要，对于附肢的继续向外生长是至关重要的。的。第二十二页，共45页。v间质细胞分泌(fnm)的因子可能是FGF10，其他的FGF因子如FGF2、FGF4和FGF8虽然也可

11、以诱导AER的形成，但FGF10合成的时间和位置都是适当的。vFGF10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。第二十三页，共45页。扫描电镜观察扫描电镜观察(gunch)孵化孵化4.5 天的鸡胚肢芽天的鸡胚肢芽显示(xinsh)顶外胚层嵴AER背侧 腹侧 第二十四页，共45页。附肢发育附肢发育(fy)中外胚层和中胚层间的相互中外胚层和中胚层间的相互作用作用第二十五页，共45页。AER与位于与位于(wiy)其下的中胚层的相互作用其下的中胚层的相互作用v 在附肢发育期间(qjin)任何时间除去AER，远端附肢的进一步发育停止。v 当额

12、外的AER移植到附肢芽上将形成超数附肢结构，通常朝向附肢远端。v 将腿间质直接置于翅的AER下方，远端的后肢结构（趾）在附肢末端发育（然而，如果腿间质离AER较远，后肢间质进入翅的结构）。v 当非附肢的中胚层移植到AER下方，则AER退化，附肢发育停止。第二十六页，共45页。附肢发育附肢发育(fy)中外胚层和中胚层间的相互作用中外胚层和中胚层间的相互作用v附肢发育中至少要求三种类型的外胚层和中胚层间的相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：互作用：v第一第一(dy)，中胚层起始附肢芽向外生长和形成，中胚层起始附肢芽向外生长和形成AER；v第二，第二，AER进一步刺激肢芽的向外

13、生长以及肢芽中胚层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；的增殖和分化；v第三，附肢芽中胚层提供保持第三，附肢芽中胚层提供保持AER所必须的刺激。所必须的刺激。第二十七页，共45页。五、附肢发育五、附肢发育(fy)时期轴的建时期轴的建立立v脊椎动物脊椎动物(jzhudngw)完全形成的附肢包含三个轴的发完全形成的附肢包含三个轴的发育：近远轴（育：近远轴（proximal-distal, P-D）、背腹轴（）、背腹轴（dorsal-ventral，D-V）和前后轴（）和前后轴（anterior-posterior, A-P）。）。v附肢发育中三个轴的建立具有各自的时间性，它们好像是附

14、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。按下列顺序决定的：前后轴、背腹轴和近远轴。第二十八页，共45页。1.近远轴的发育近远轴的发育(fy)v 附肢沿近远轴的分化：由附肢沿近远轴的分化：由AER和附肢中胚层诱导的相互作和附肢中胚层诱导的相互作用产生的。用产生的。v 附肢芽的逐渐向外生长：附肢芽的逐渐向外生长：v 由于位于由于位于AER下面间质细胞的增殖；下面间质细胞的增殖；v AER释放的分子（成纤维细胞生长因子释放的分子（成纤维细胞生长因子FGF）维持间质）维持间质细胞不断进行细胞不断进行(jnxng)分裂。分裂。由AER合成(hchng)、

15、释放到其下的间质中的成纤维细胞生长因子FGF可能是鸡胚中维持间质细胞增殖的分子。第二十九页，共45页。AER和附肢芽中胚层的相互作用第三十页，共45页。外胚层嵴顶端对于肢芽近远轴图式的发育是必须的。从正在发育的肢芽中去除AER，将导致肢芽生长的停止(tngzh)；在发育后期将AER去除，可得到较为完整的肢。 第三十一页，共45页。生长因子可以生长因子可以(ky)替代顶外胚层嵴替代顶外胚层嵴将AER切除(qich)后，移植能释放生长因子FGF-8的玻璃珠，可使肢几乎正常发育。第三十二页，共45页。背腹轴的分化背腹轴的分化在鸡翅中，沿背腹轴有一很清晰在鸡翅中，沿背腹轴有一很清晰(qngx)的图式。

16、背腹轴的组成部分的图式。背腹轴的组成部分是由早期鸡胚胎预定肢芽区域的外是由早期鸡胚胎预定肢芽区域的外胚层决定，并在背腹轴之间发育形胚层决定，并在背腹轴之间发育形成顶外胚层嵴。成顶外胚层嵴。在突变小鼠中控制着脊椎动物肢的背在突变小鼠中控制着脊椎动物肢的背腹轴的基因已经被确定。腹轴的基因已经被确定。 Wnt-7a基基因在肢背部中胚层图示形成中起到因在肢背部中胚层图示形成中起到关键作用。关键作用。2.背腹轴的分化(fnhu)第三十三页，共45页。v从体节发出的信号参与背部从体节发出的信号参与背部(bi b)外胚层外胚层的确定。在鸡翅芽中，背腹外胚层界线的建的确定。在鸡翅芽中，背腹外胚层界线的建立明显

17、有来看立明显有来看Notch受体信号的参与。受体信号的参与。v含有含有homeobox的基因的基因Engrailed-1在在AER形形成之前就已经在附肢腹部的外胚层特异地表成之前就已经在附肢腹部的外胚层特异地表达，有可能特化为将来的腹部区域。达，有可能特化为将来的腹部区域。第三十四页，共45页。外胚层控制发育中肢的背腹轴图式的形成。Wnt-7a在背部(bi b)外胚层中表达，而Engrailed基因在腹部外胚层中表达。lmx-1基因在背中胚层中被Wnt-7a诱导表达，并且参与背部(bi b)结构的确定。 第三十五页，共45页。3.前后前后(qinhu)轴的特化轴的特化v 附肢芽前后轴的极性：在

18、肢芽能识别之前就已特化。附肢芽前后轴的极性：在肢芽能识别之前就已特化。v 有两种主要模型用来解释前后轴的特化。有两种主要模型用来解释前后轴的特化。v 一种一种(y zhn)是极化活动区（是极化活动区（zone of polarizing activity，ZPA）可扩散形态发生子模型（）可扩散形态发生子模型（ZPA diffusible morphogen model）。）。v 另一种另一种(y zhn)是极性坐标模型（是极性坐标模型（the polar coordinate model）。）。第三十六页，共45页。第三十七页，共45页。v渐进带的相互作用是由渐进带的相互作用是由msx-1和和

19、msx-2基因调基因调节的节的v AER和位于其下的间质的相互作用是由和位于其下的间质的相互作用是由msx-1和和msx-2基因产物调节的。基因产物调节的。 msx-1基因基因起初在整个早期的附肢芽中表达起初在整个早期的附肢芽中表达(biod)，但，但此后变得局限于直接位于此后变得局限于直接位于AER下方的渐进带下方的渐进带间质中表达间质中表达(biod)。msx-2基因起初是在基因起初是在AER和前部的间质中的表达和前部的间质中的表达(biod)。第三十八页，共45页。由同源基因决定前后轴和指的特性由同源基因决定前后轴和指的特性HoxD基因家族（基因家族（Hoxd-9到到Hoxd13）的表达模）的表达模式在小鼠附肢芽的后部边缘是重叠的。这意式在小鼠附肢芽的后部边缘是重叠的。这意味着在后部边缘产生小指味着在后部边缘产生小