1、Developmental Biology第五章第五章 四肢動物肢體的發育四肢動物肢體的發育Developmental Biology肢體的三個軸線肢體的三個軸線肱骨肱骨尺骨尺骨橈骨橈骨腕骨腕骨Developmental Biology脊椎動物肢體在脊椎動物肢體在結構和發育上是結構和發育上是保守的。保守的。Developmental Biology一、肢芽的形成一、肢芽的形成 肢體區肢體區(limb field): 由由有能力形成一個肢體的中有能力形成一個肢體的中胚層細胞所組成的區域。胚層細胞所組成的區域。 肢體區細胞的特點：肢體區細胞的特點：可可調節性。調節性。Developmental B

2、iology寄生蟲卵在肢芽中寄生蟲卵在肢芽中的繁殖導致多肢體的繁殖導致多肢體的形成。的形成。Developmental Biology肢芽在軀干上的形成部位可能肢芽在軀干上的形成部位可能受視黃酸和受視黃酸和hox基因的控制基因的控制如多種動物的前肢芽都如多種動物的前肢芽都出現于出現于Hoxc-6表達譜的表達譜的最前部邊界，即第一胸最前部邊界，即第一胸椎所處位置。椎所處位置。Developmental Biology 肢體細胞的來源肢體細胞的來源肌肉細胞前體：肌肉細胞前體：來源于體節的軸下生肌區；來源于體節的軸下生肌區；骨細胞前體：骨細胞前體：側板中胚層的體細胞區間質細胞。側板中胚層的體細胞區間

3、質細胞。 肢芽的形成肢芽的形成受來自于中間中胚層受來自于中間中胚層(intermediate mesoderm)如腎前體的信如腎前體的信號誘導號誘導，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。，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。Developmental Biology新的研究表明，新的研究表明，側板中胚層中側板中胚層中將要產生肢體間質將要產生肢體間質細胞的細胞分泌的細胞的細胞分泌的FGF10誘導了肢芽的形成。誘導了肢芽的形成。Developmental Biology頂端外胚層嵴頂端外胚層嵴(apical ectodermal ridge, AER)的形成

4、的形成 AER：中胚層間質細胞誘導中胚層間質細胞誘導其外側的外胚層細胞形成突起結其外側的外胚層細胞形成突起結構，位于肢芽的遠端邊緣背腹交構，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界處，是肢體生長的主要信號中心。心。 AER的作用的作用： 1. 維持其內側的間質細胞的增生維持其內側的間質細胞的增生 能力，使肢體沿能力，使肢體沿Proximal Distal軸線生長。軸線生長。2. 維持維持AP軸線控制因子的表軸線控制因子的表 達。達。3. 與控制與控制AP和和DV軸線的因軸線的因 子互作，以指導細胞的分化。子互作，以指導細胞的分化。Developmental Biology AER

5、的形成依賴于背部外胚層和腹部外胚層的互作的形成依賴于背部外胚層和腹部外胚層的互作 證據：證據：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，將產生一個額外的中，將產生一個額外的AER；在肢芽外胚層背部化的突變體上，因缺；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少腹部外胚層而不能生成AER，造成無肢體。，造成無肢體。Developmental BiologyAER中中FGF8的表達是肢體生長所必需的的表達是肢體生長所必需的Developmental Biology肢芽形成中的分子互作模型肢芽形成中的分子互作模型Deve

6、lopmental BiologyAER在肢芽沿在肢芽沿PD軸線軸線生長生長中的作用中的作用說明說明AER是維持間質是維持間質細胞分裂、推動肢體細胞分裂、推動肢體向外生長所必需的向外生長所必需的說明說明AER影響影響A-P軸軸線線說明間質細胞決定了說明間質細胞決定了肢體的類型肢體的類型說明間質細胞是維持說明間質細胞是維持AER所必需的所必需的二、肢體近遠端軸線的生成二、肢體近遠端軸線的生成Developmental Biology AER維持間質細胞的分裂能力、防止其形成軟骨：維持間質細胞的分裂能力、防止其形成軟骨：去除去除AER中將分化為腳趾間組織的細胞，將形成額外的腳趾。中將分化為腳趾間組

7、織的細胞，將形成額外的腳趾。Developmental Biology雞的兩套趾癥源于肢芽上有兩個雞的兩套趾癥源于肢芽上有兩個AERDevelopmental Biology用鵪鶉的用鵪鶉的AER取代無肢體雞的取代無肢體雞的AER可以導致正常的肢體發育可以導致正常的肢體發育Developmental BiologyAER對對PD軸線軸線影響的影響的 分子基礎是分子基礎是FGF因子因子Developmental BiologyProgress Zone (PZ) 識別和決定識別和決定肢體的肢體的PD軸生長程度軸生長程度證證 據據 一一 Progress zone是指是指AER內內保持了旺盛分裂保

8、持了旺盛分裂能力的間質細胞能力的間質細胞區域。區域。 不同時間離不同時間離開開progress zone的細胞分化為不的細胞分化為不同的軟骨。證據同的軟骨。證據之一是，在不同之一是，在不同時間去除時間去除AER，所形成的肢體骨所形成的肢體骨不同。不同。Developmental Biology肢體的肢體的P-D極性決定于極性決定于PZ而非而非AER：證據二：證據二老幼肢體老幼肢體間間AER的互換的互換不會出現類似現象。不會出現類似現象。老幼肢體老幼肢體間間PZ細胞細胞的的互換改變互換改變PD極性。極性。Early bud PZ to late budLate bud PZ to early b

9、udDevelopmental Biology間質細胞離開間質細胞離開PZ區的時間決定了其分化命運區的時間決定了其分化命運Developmental Biology利用突變體研究利用突變體研究AER和和PZ相互作用相互作用Developmental BiologyHox基因在決定肢體基因在決定肢體P PD D軸線中的作用軸線中的作用Developmental BiologyHox基因缺陷導致肢體相應部位的缺失基因缺陷導致肢體相應部位的缺失Developmental Biology人的多指癥也可能人的多指癥也可能與與Hox基因的異位表基因的異位表達有關達有關Developmental Biolo

10、gy蠑螈肢體的再生蠑螈肢體的再生 兩棲類動物肢體被截除后，兩棲類動物肢體被截除后，可以重新長出被截區的部分。可以重新長出被截區的部分。 肢體切除后的肢體切除后的612小時小時內，剩余部分的表皮細胞移向內，剩余部分的表皮細胞移向窗口表面形成單細胞層表皮，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再通過細胞增殖形成頂端外胚層帽層帽(apical ectodermal cap). 在隨后的在隨后的4天中，天中，頂端外胚層頂端外胚層帽下的骨細胞、軟骨細胞、成帽下的骨細胞、軟骨細胞、成纖維細胞、肌細胞、神經細胞纖維細胞、肌細胞、神經細胞發生去分化作用，構成再生胚發生去分化作用，構成再生胚基基(

11、regeneration blastema),繼繼續增殖、分化形成肢體結構。續增殖、分化形成肢體結構。Developmental Biology肢體的再生分神經依賴性和非神經依賴性兩個階段肢體的再生分神經依賴性和非神經依賴性兩個階段神經細胞釋神經細胞釋放的放的GGF、運鐵蛋白、運鐵蛋白、FGF2等可等可能有助于細能有助于細胞的去分化胞的去分化Developmental Biology截肢位置信息的識別：截肢位置信息的識別：頂端外胚層帽識別截口近端的位置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信息，并重建其遠端的位置信息Developmental Biology不同部位的再生胚

12、基不同的重建位置信息不同部位的再生胚基不同的重建位置信息Developmental Biology不同部位的再生胚基細胞表面的粘附特性不同不同部位的再生胚基細胞表面的粘附特性不同(遠端遠端更強更強)，這種粘附性質可能是，這種粘附性質可能是PD位置信息的一部分位置信息的一部分Developmental BiologyRetinoic acid可以改變再生肢體的位置可以改變再生肢體的位置信息，使胚基近端化信息，使胚基近端化(proximalizing)Developmental Biology三三、肢體、肢體AP軸線的確定軸線的確定 雞的肢芽雞的肢芽尚未形成尚未形成之前，其之前，其AP和和DV軸線

13、就已軸線就已經確定。經確定。(移植的肢移植的肢芽的極性芽的極性不受受體不受受體胚胎極性胚胎極性的影響的影響)Developmental Biology極性決定區極性決定區(zone of polarizing activity, ZPA)位于后部間質細胞區位于后部間質細胞區Developmental Biology將額外的將額外的ZPA移植到肢芽的前端移植到肢芽的前端可導致遠端形成鏡像對稱結構可導致遠端形成鏡像對稱結構Developmental BiologySonic Hedgehog的表達部位與的表達部位與ZPA吻合吻合Developmental BiologySonic Hedgehog

14、具有具有ZPA活性的實驗證據活性的實驗證據Developmental BiologyZPA活性決定活性決定AP軸線的信號傳導機制軸線的信號傳導機制 第二種模型的證據：第二種模型的證據：SHH可誘導可誘導BMP2的產的產生，生，BMP2再誘導其它再誘導其它因子的合成。因子的合成。Developmental BiologySHH的下游基因是的下游基因是Hoxd基因基因Developmental BiologyAER中的信號分子對中的信號分子對于激活和維持于激活和維持SHH的的表達起重要作用表達起重要作用AER中的中的FGF8不能誘不能誘導前部合成導前部合成SHH，可能，可能與與Hoxb8的表達有關

15、的表達有關Developmental Biology四四、肢體、肢體DV軸線的確定軸線的確定 在背部外胚層特異性表達在背部外胚層特異性表達的的Wnt-7a誘導背部間質細胞誘導背部間質細胞合成轉錄因子合成轉錄因子Lmx-1，后者，后者再控制肢芽背部特異性基因再控制肢芽背部特異性基因的表達。的表達。Lmx-1在背、腹間在背、腹間質細胞中都表達，導致雙被質細胞中都表達，導致雙被部結構。部結構。 Engrailed在小鼠肢芽腹在小鼠肢芽腹部外胚層表達，其突變體的部外胚層表達，其突變體的肢芽腹部外胚層可表達肢芽腹部外胚層可表達Wnt-7a，從而形成雙背部結構。，從而形成雙背部結構。Development

16、al Biology敲除敲除Wnt-7a的小鼠的腳掌有鏡像對稱的雙腹部結構的小鼠的腳掌有鏡像對稱的雙腹部結構敲除敲除Wnt-7a的小鼠的腳掌缺少的小鼠的腳掌缺少后部趾，說明其也影響后部趾，說明其也影響AP極性極性Developmental Biology前肢芽和后肢芽的成軟骨細胞對信號因子的反應及纖粘連蛋白的沉積方式不同前肢芽和后肢芽的成軟骨細胞對信號因子的反應及纖粘連蛋白的沉積方式不同五五、前肢和后肢發育機制有所不同、前肢和后肢發育機制有所不同Developmental BiologyTbx5和和Tbx4分別指定了分別指定了前肢芽和后肢芽的發育前肢芽和后肢芽的發育人的人的Holt-Oram

17、Syndrome表現為心臟和手的畸表現為心臟和手的畸形，而腳是正常的，其形，而腳是正常的，其TBX5基因發生了突變基因發生了突變Developmental BiologyFGF誘導的肢體類誘導的肢體類型決定于肢芽是表型決定于肢芽是表達達Tbx5或或Tbx4Developmental BiologyTbx4的異位表達的異位表達可改變可改變FGF的的誘導誘導結果。結果。Developmental Biology六六、細胞凋亡與趾的形成、細胞凋亡與趾的形成兩棲類動物的趾的形兩棲類動物的趾的形成依賴于趾區和趾間成依賴于趾區和趾間區生長速度的差異區生長速度的差異Developmental Biology

18、決定細胞死亡的是間質細胞，決定細胞死亡的是間質細胞，而不是外胚層細胞。而不是外胚層細胞。Developmental Biology 在早期肢芽中，在早期肢芽中，BMP2、BMP4、BMP7在趾間組在趾間組織中表達，織中表達，促進促進趾間組織的凋亡，趾間組織的凋亡，趾區趾區表達的表達的noggin可拮抗可拮抗BMP。 但在較后期的但在較后期的肢體中，肢體中，BMP促促進間質細胞分化進間質細胞分化為軟骨。為軟骨。Developmental Biology骨形成蛋白骨形成蛋白BMP2、BMP7、GDF5在關節形成中的作用在關節形成中的作用在在noggin-/-小鼠胚胎中，小鼠胚胎中，BMP7使所有間質細胞轉變為軟骨細胞，使所有間質細胞轉變為軟骨細胞，導致無趾關節；含導致無趾關節；含GDF5突變的人無趾關節，突變的人無趾關節，GDF5和和BMP2的作用的作用可能是殺死關節間的間質細胞或使其快速分化。可能是殺死關節間的間質細胞或使其快速分化。BMP