附肢的发育和再生

附肢的发育和再生第1页/共39页概述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。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2页/共39页第一节脊椎动物附肢的发育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。脊椎动物的附肢都是由体壁中胚层和外部表皮共同组成。鸡翅内骨的排列模式及其不对称性第3页/共39页孵化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。前部的后部的近侧的远侧的背侧的腹侧的第4页/共39页在所有的四足动物中，附肢发育的基本形态发生原则是相同的。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。第5页/共39页一、附肢的起源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。附肢的原基称为附肢芽（limbbud）。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。第6页/共39页鸡胚胎的肢芽孵化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第7页/共39页附肢域能形成一个附肢的所有细胞，称为附肢域（limbfield）或附肢场。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，limbdisc）以及形成周围的躯干组织和肩带/腰带细胞。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-调和等能系统。第8页/共39页美西螈（Ambystomamaculatum）的预定前肢场第9页/共39页第10页/共39页二、附肢的早期发育附肢早期发育的第一个迹象：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，转变成一团间质细胞，这些间质细胞向侧面迁移到侧板中胚层和表皮之间，牢固地贴附于表皮内表面。第11页/共39页两栖类胚胎中附肢由中胚层起源的图解肢芽第12页/共39页肢芽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（limbbud）。肢芽中胚层细胞第13页/共39页成纤维细胞生长因子FGF10形成预定附肢间质细胞中的侧板中胚层细胞提供肢芽形成的信号，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。第14页/共39页FGF10的表达及其在鸡肢发育过程中的作用第15页/共39页三、前肢和后肢的特化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。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。第16页/共39页TBX4和TBX5在肢型特化中的作用第17页/共39页TBX4和TBX5在FGF10诱导形成的肢芽中的表达第18页/共39页异位表达TBX4，可以使FGF10诱导形成的前肢转变为后肢第19页/共39页四、顶外胚层嵴的形成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（apicalectodermridge，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。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。第20页/共39页扫描电镜观察孵化4.5天的鸡胚肢芽显示顶外胚层嵴AER背侧腹侧第21页/共39页（一）附肢发育中外胚层和中胚层间的相互作用附肢的向外生长涉及AER和中胚层间持续的相互作用：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。第22页/共39页AER与位于其下的中胚层的相互作用①在附肢发育期间任何时间除去AER，远端附肢的进一步发育停止。②当额外的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。③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）。④当非附肢的中胚层移植到AER下方，则AER退化，附肢发育停止。①②③④第23页/共39页（一）附肢发育中外胚层和中胚层间的相互作用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。第24页/共39页（二）附肢发育时期轴的建立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）。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。第25页/共39页1.近远轴的发育附肢沿近远轴的分化：由AER和附肢中胚层诱导的相互作用产生的。附肢芽的逐渐向外生长：①由于位于AER下面间质细胞的增殖；②AER释放的分子（成纤维细胞生长因子FGF）维持间质细胞不断进行分裂。第26页/共39页生长因子可以替代顶外胚层嵴将AER切除后，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27页/共39页2.背腹轴的分化背腹轴的组成部分：由早期胚胎预定肢芽区域的外胚层决定，并在背腹轴之间发育形成顶外胚层嵴。Wnt-7a在背部外胚层中表达，lmx-1基因在背中胚层中被Wnt-7a诱导表达，并且参与背部结构的确定。而Engrailed基因在腹部外胚层中表达。第28页/共39页3.前后轴的特化附肢芽前后轴的极性：在肢芽能识别之前就已特化。有两种主要模型用来解释前后轴的特化。一种是极化活动区（zoneofpolarizingactivity，ZPA）可扩散形态发生子模型（ZPAdiffusiblemorphogenmodel）。另一种是极性坐标模型（thepolarcoordinatemodel）。第29页/共39页4.细胞死亡和同源基因脊椎动物附肢中特定细胞的死亡是可遗传的程序性细胞死亡，是进化过程中经自然选择形成的。细胞死亡在指/趾的成形过程中，特别是关节形成和手指的分离中起着重要的作用。第30页/共39页鸭胚和鸡胚后肢原基中细胞死亡模式的比较。第31页/共39页鸡胚趾间细胞的程序性死亡信号鸡胚趾间细胞的程序性死亡信号可能由BMP发出，封阻BMP的受体将会阻止这些细胞的程序性死亡。第32页/共39页在附肢的正常发育过程中，BMP既可以诱导间质细胞发生凋亡，也可以刺激它们分化为软骨形成细胞，这要取决于它们所处的发育阶段。在关节形成过程中，BMP7可以促进软骨的形成，而BMP2和GDF5在骨之间的位置表达，促进关节的形成。第33页/共39页BMP蛋白参与软骨的稳定和关节的形成过程鸡肢形成晚期，BMP7（A）和BMP2（B）的表达。第34页/共39页Noggin蛋白的作用C：16