器官發(fā)生—四肢概述

1、器官發(fā)生四肢概述第一節(jié) 肢芽的形成第二節(jié) 肢體近遠(yuǎn)軸的圖示形成第三節(jié) 肢體前后軸的圖式形成第四節(jié) 肢體背腹軸的圖式形成第五節(jié) 肢芽發(fā)育過(guò)程中的形態(tài)發(fā)生第六節(jié) 人類四肢常見(jiàn)先天性畸形在所有的四足動(dòng)物中，附肢發(fā)育的基本形態(tài)發(fā)生原則（basic morphogenetic rules）是相同的。構(gòu)建一個(gè)附肢所需要的位置信息要在一個(gè)三維（或包括時(shí)間在內(nèi)的四維）的、相互協(xié)調(diào)的系統(tǒng)中發(fā)揮作用。四肢的三個(gè)軸向具有固定的相對(duì)位置，不同部位的結(jié)構(gòu)容易區(qū)分。是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的“等能調(diào)和系統(tǒng)”。軸向的確定、圖示形成、相同細(xì)胞的區(qū)域化、細(xì)胞的遷移和凋亡、神經(jīng)軸突的生長(zhǎng)導(dǎo)入。肢體的三個(gè)軸線肱骨尺骨橈骨腕骨脊椎動(dòng)物肢體在結(jié)

2、構(gòu)和發(fā)育上是保守的。一、肢芽的形成及其位置決定 肢體區(qū)(limb field): 由有能力形成一個(gè)肢體的中胚層細(xì)胞所組成的區(qū)域。沿體軸兩側(cè)形成四個(gè)特定的圓形區(qū)域。 肢體區(qū)細(xì)胞的特點(diǎn)：區(qū)域性、可調(diào)節(jié)性。寄生蟲(chóng)卵在肢芽中的繁殖導(dǎo)致多肢體的形成。肢芽在軀干上的形成部位可能受視黃酸和hox基因的控制在脊椎動(dòng)物的胚胎發(fā)育中，四肢只能在體軸兩側(cè)的特定區(qū)域發(fā)生，對(duì)稱地排列在身體中線兩側(cè)。如多種動(dòng)物的前肢芽都出現(xiàn)于Hoxc-6表達(dá)譜的最前部邊界，即第一胸椎所處位置。人胚發(fā)育到26d左右，腹部外側(cè)出現(xiàn)小丘狀的上肢芽，兩天后出現(xiàn)下肢芽。雞胚在發(fā)育至15-20對(duì)體節(jié)時(shí)，肢芽開(kāi)始發(fā)生。第一個(gè)跡象是體節(jié)中胚層細(xì)胞沿胚胎

3、長(zhǎng)軸的增殖，逐漸在表皮下形成加厚的細(xì)胞團(tuán)，這部分細(xì)胞團(tuán)分離出來(lái)形成一團(tuán)間質(zhì)細(xì)胞并遷移、貼附于表皮的內(nèi)表面。實(shí)驗(yàn)證明，細(xì)胞增殖的起始階段好像受附近中腎的調(diào)節(jié)。側(cè)板中胚層的增厚和隨后表皮下一團(tuán)間質(zhì)的形成可能與兩對(duì)附肢的位置緊密相關(guān)。在羊膜動(dòng)物中，這種增厚和間質(zhì)的聚集沿身體的整個(gè)長(zhǎng)度形成一條縱行的嵴，稱為烏爾夫氏嵴。此嵴的前后兩處的增厚部分增殖較快，逐漸發(fā)育為前肢和后肢，中間相對(duì)較薄的部分此后消失。二、附肢（四肢）的早期發(fā)育雞胚胎的肢芽。孵化后第三天胚胎的側(cè)面出現(xiàn)肢芽肢芽由中胚層構(gòu)成，其上覆有外胚層，肢芽的邊緣是增厚的外胚層嵴，即頂外胚層嵴。肢體細(xì)胞的來(lái)源肌肉細(xì)胞前體：來(lái)源于體節(jié)的軸下生肌區(qū)；骨細(xì)胞

4、前體：側(cè)板中胚層的體細(xì)胞區(qū)間質(zhì)細(xì)胞。 肢芽的形成受來(lái)自于中間中胚層如腎前體的信號(hào)誘導(dǎo)，移去中腎或在中腎與肢芽細(xì)胞間插入不透膜可使肢芽停止增大。兩棲類胚胎中附肢由中胚層起源的圖解新的研究表明，側(cè)板中胚層中將要產(chǎn)生肢體間質(zhì)細(xì)胞的細(xì)胞分泌的FGF10誘導(dǎo)了肢芽的形成。前肢芽和后肢芽的成軟骨細(xì)胞對(duì)信號(hào)因子的反應(yīng)及纖粘連蛋白的沉積方式不同三、前肢和后肢發(fā)育機(jī)制有所不同Tbx5和Tbx4分別指定了前肢芽和后肢芽的發(fā)育人的Holt-Oram Syndrome表現(xiàn)為心臟和手的畸形，而腳是正常的，其TBX5基因發(fā)生了突變前肢和后肢的特化Gain-of-function實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，轉(zhuǎn)錄因子TBX4和TBX5分別

5、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(huì)導(dǎo)致上肢和心臟的異常，但下肢基本不受影響。TBX4 和TBX5在肢型特化中的作用人的Holt-Oram Syndrome表現(xiàn)為心臟和手的畸形，而腳是正常的，其TBX5基因發(fā)生了突變FGF誘導(dǎo)的肢體類型決定于肢芽是表達(dá)Tbx5或Tbx4Tbx4的異位表達(dá)可改變FGF的誘導(dǎo)結(jié)果。一、頂端外胚層嵴(apical ectodermal ridge, AER)的形成 AER：中胚層間質(zhì)細(xì)胞誘導(dǎo)其外側(cè)的外胚層細(xì)胞形成突起結(jié)構(gòu)，位于肢芽的遠(yuǎn)端邊緣背腹交界處，是肢體生長(zhǎng)的主要信號(hào)中心。 AER的作用： 1. 維持其內(nèi)側(cè)的

6、間質(zhì)細(xì)胞的增生 能力，使肢體沿Proximal Distal軸線生長(zhǎng)。2. 維持AP軸線控制因子的表 達(dá)。3. 與控制AP和DV軸線的因 子互作，以指導(dǎo)細(xì)胞的分化。第二節(jié) 肢體近遠(yuǎn)端軸線的圖式形成 AER的形成依賴于背部外胚層和腹部外胚層的互作 證據(jù)：將一個(gè)肢芽的腹部外胚層細(xì)胞移植到另一肢芽的背部外胚層中，將產(chǎn)生一個(gè)額外的AER；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AER，造成無(wú)肢體。二、AER介導(dǎo)肢體發(fā)育中不同胚層間的相互誘導(dǎo)作用肢芽形成中的分子互作模型AER在肢芽沿PD軸線生長(zhǎng)中的作用說(shuō)明AER是維持間質(zhì)細(xì)胞分裂、推動(dòng)肢體向外生長(zhǎng)所必需的說(shuō)明AER影響A-P軸線說(shuō)明間質(zhì)

7、細(xì)胞決定了肢體的類型說(shuō)明間質(zhì)細(xì)胞是維持AER所必需的 AER維持間質(zhì)細(xì)胞的分裂能力、防止其形成軟骨：去除AER中將分化為腳趾間組織的細(xì)胞，將形成額外的腳趾。雞的兩套趾癥源于肢芽上有兩個(gè)AER用鵪鶉的AER取代無(wú)肢體雞的AER可以導(dǎo)致正常的肢體發(fā)育AER對(duì)PD軸線影響的 分子基礎(chǔ)是FGF因子Summerbell等制定了在雞胚附肢發(fā)育中近-遠(yuǎn)軸建立的漸進(jìn)帶模型:在附肢內(nèi)中胚層細(xì)胞的命運(yùn)是由它們?cè)诟街敹吮环Q為漸進(jìn)帶的區(qū)域中保留多長(zhǎng)時(shí)間決定的。首先被推離漸進(jìn)帶的細(xì)胞脫離AER的影響，將形成附肢最近端的成分，而在漸進(jìn)帶中保持較長(zhǎng)時(shí)間的細(xì)胞將形成附肢較遠(yuǎn)端的成分。說(shuō)明了：中胚層細(xì)胞一旦離開(kāi)漸進(jìn)帶和脫離A

8、ER的影響，其命運(yùn)就被不可逆的固定了；一個(gè)細(xì)胞的位置信息是由其受AER影響的時(shí)間長(zhǎng)短決定的。不同結(jié)果-分歧：可能由于胚胎發(fā)育時(shí)間的影響。三、肢體遠(yuǎn)近軸圖式的形成依賴于漸進(jìn)區(qū)的發(fā)育Progress Zone (PZ) 識(shí)別和決定肢體的PD軸生長(zhǎng)程度證 據(jù) 一 Progress zone是指AER內(nèi)保持了旺盛分裂能力的間質(zhì)細(xì)胞區(qū)域。 不同時(shí)間離開(kāi)progress zone的細(xì)胞分化為不同的軟骨。證據(jù)之一是，在不同時(shí)間去除AER，所形成的肢體骨不同。肢體的P-D極性決定于PZ而非AER：證據(jù)二老幼肢體間AER的互換不會(huì)出現(xiàn)類似現(xiàn)象。老幼肢體間PZ細(xì)胞的互換改變PD極性。Early bud PZ to

9、 late budLate bud PZ to early bud間質(zhì)細(xì)胞離開(kāi)PZ區(qū)的時(shí)間決定了其分化命運(yùn)利用突變體研究AER和PZ相互作用四、Hox基因在決定肢體PD軸線中的作用Hox基因缺陷導(dǎo)致肢體相應(yīng)部位的缺失人的多指癥也可能與Hox基因的異位表達(dá)有關(guān)蠑螈肢體的再生 兩棲類動(dòng)物肢體被截除后，可以重新長(zhǎng)出被截區(qū)的部分。 肢體切除后的612小時(shí)內(nèi)，剩余部分的表皮細(xì)胞移向窗口表面形成單細(xì)胞層表皮，再通過(guò)細(xì)胞增殖形成頂端外胚層帽(apical ectodermal cap). 在隨后的4天中，頂端外胚層帽下的骨細(xì)胞、軟骨細(xì)胞、成纖維細(xì)胞、肌細(xì)胞、神經(jīng)細(xì)胞發(fā)生去分化作用，構(gòu)成再生胚基(regene

10、ration blastema),繼續(xù)增殖、分化形成肢體結(jié)構(gòu)。肢體的再生分神經(jīng)依賴性和非神經(jīng)依賴性兩個(gè)階段神經(jīng)細(xì)胞釋放的GGF、運(yùn)鐵蛋白、FGF2等可能有助于細(xì)胞的去分化截肢位置信息的識(shí)別：頂端外胚層帽識(shí)別截口近端的位置信息，并重建其遠(yuǎn)端的位置信息不同部位的再生胚基不同的重建位置信息不同部位的再生胚基細(xì)胞表面的粘附特性不同(遠(yuǎn)端更強(qiáng))，這種粘附性質(zhì)可能是PD位置信息的一部分Retinoic acid可以改變?cè)偕w的位置信息，使胚基近端化(proximalizing)第三節(jié) 肢體AP軸線的圖示形成 雞的肢芽尚未形成之前，其AP和DV軸線就已經(jīng)確定。(移植的肢芽的極性不受受體胚胎極性的影響)極性

11、決定區(qū)(zone of polarizing activity, ZPA)位于后部間質(zhì)細(xì)胞區(qū)將額外的ZPA移植到肢芽的前端可導(dǎo)致遠(yuǎn)端形成鏡像對(duì)稱結(jié)構(gòu)Sonic Hedgehog的表達(dá)部位與ZPA吻合Sonic Hedgehog具有ZPA活性的實(shí)驗(yàn)證據(jù)ZPA活性決定AP軸線的信號(hào)傳導(dǎo)機(jī)制 第二種模型的證據(jù)：SHH可誘導(dǎo)BMP2的產(chǎn)生，BMP2再誘導(dǎo)其它因子的合成。SHH的下游基因是Hoxd基因AER中的信號(hào)分子對(duì)于激活和維持SHH的表達(dá)起重要作用AER中的FGF8不能誘導(dǎo)前部合成SHH，可能與Hoxb8的表達(dá)有關(guān)第四節(jié) 肢體DV軸線的圖式形成 在背部外胚層特異性表達(dá)的Wnt-7a誘導(dǎo)背部間質(zhì)細(xì)胞

12、合成轉(zhuǎn)錄因子Lmx-1，后者再控制肢芽背部特異性基因的表達(dá)。Lmx-1在背、腹間質(zhì)細(xì)胞中都表達(dá)，導(dǎo)致雙被部結(jié)構(gòu)。 Engrailed在小鼠肢芽腹部外胚層表達(dá)，其突變體的肢芽腹部外胚層可表達(dá)Wnt-7a，從而形成雙背部結(jié)構(gòu)。一、肢體背腹軸圖式的確定敲除Wnt-7a的小鼠的腳掌有鏡像對(duì)稱的雙腹部結(jié)構(gòu)敲除Wnt-7a的小鼠的腳掌缺少后部趾，說(shuō)明其也影響AP極性肢體的三個(gè)軸在圖式發(fā)生過(guò)程中相互影響。肢體三個(gè)軸的圖式形成過(guò)程存在相互依賴關(guān)系。二、三個(gè)軸在圖式形成過(guò)程中的相互影響第五節(jié) 附肢中組織類型的決定中央濃縮的核區(qū)細(xì)胞最終分化成軟骨，外面包圍著血管層，向外是無(wú)血管區(qū)，變?yōu)榻Y(jié)締組織、皮膚的真皮和血管區(qū)

13、周圍的肌肉群。具有其獨(dú)特的形成模式。體外實(shí)驗(yàn)證明，組成附肢芽的細(xì)胞是多潛能的。一、肢體遠(yuǎn)端結(jié)構(gòu)的形態(tài)發(fā)生-細(xì)胞凋亡與趾的形成兩棲類動(dòng)物的趾的形成依賴于趾區(qū)和趾間區(qū)生長(zhǎng)速度的差異決定細(xì)胞死亡的是間質(zhì)細(xì)胞，而不是外胚層細(xì)胞。 在早期肢芽中，BMP2、BMP4、BMP7在趾間組織中表達(dá)，促進(jìn)趾間組織的凋亡，趾區(qū)表達(dá)的noggin可拮抗BMP。 但在較后期的肢體中，BMP促進(jìn)間質(zhì)細(xì)胞分化為軟骨。骨形成蛋白BMP2、BMP7、GDF5在關(guān)節(jié)形成中的作用在noggin-/-小鼠胚胎中，BMP7使所有間質(zhì)細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)檐浌羌?xì)胞，導(dǎo)致無(wú)趾關(guān)節(jié)；含GDF5突變的人無(wú)趾關(guān)節(jié)，GDF5和BMP2的作用可能是殺死關(guān)節(jié)間的間質(zhì)細(xì)胞或使其快速分化。BMP7BMP2GDF5二、肢體關(guān)節(jié)的形態(tài)發(fā)生三、肢體的進(jìn)化4億年前泥盆紀(jì)的四肢動(dòng)物的肢體近端結(jié)構(gòu)與魚(yú)鰭相似在魚(yú)鰭和雞后肢中Hox基因的表達(dá)譜相似不同物種的肢體骨結(jié)構(gòu)是相似的決定肢體軸線的分子機(jī)制在不同物種上是保守的第六節(jié) 人四肢發(fā)生的過(guò)程第26天，胚胎腹側(cè)出現(xiàn)上肢芽，兩天后出現(xiàn)下肢芽，肢芽成為將來(lái)的上肢和下肢，肢體先呈漿狀，然后伸長(zhǎng)，末端出現(xiàn)凹溝，溝成為膜狀蹼，蹼以后消失，第52-55天成為分開(kāi)的指（趾）.人類四肢常見(jiàn)先天性畸形種類