发育生物学课件5

DevelopmentalBiology第五章四肢动物肢体的发育DevelopmentalBiology肢体的三个轴线肱骨尺骨桡骨腕骨DevelopmentalBiology脊椎动物肢体在结构和发育上是保守的。DevelopmentalBiology一、肢芽的形成肢体区(limbfield):由有能力形成一个肢体的中胚层细胞所组成的区域。肢体区细胞的特点：可调节性。DevelopmentalBiology寄生虫卵在肢芽中的繁殖导致多肢体的形成。DevelopmentalBiology肢芽在躯干上的形成部位可能受视黄酸和hox基因的控制如多种动物的前肢芽都出现于Hoxc-6表达谱的最前部边界，即第一胸椎所处位置。DevelopmentalBiology肢体细胞的来源肌肉细胞前体：来源于体节的轴下生肌区；骨细胞前体：侧板中胚层的体细胞区间质细胞。肢芽的形成受来自于中间中胚层(intermediatemesoderm)如肾前体的信号诱导，移去中肾或在中肾与肢芽细胞间插入不透膜可使肢芽停止增大。DevelopmentalBiology新的研究表明，侧板中胚层中将要产生肢体间质细胞的细胞分泌的FGF10诱导了肢芽的形成。DevelopmentalBiology顶端外胚层嵴(apicalectodermalridge,AER)的形成AER：中胚层间质细胞诱导其外侧的外胚层细胞形成突起结构，位于肢芽的远端边缘背腹交界处，是肢体生长的主要信号中心。AER的作用：1.维持其内侧的间质细胞的增生能力，使肢体沿Proximal－Distal轴线生长。2.维持A－P轴线控制因子的表达。3.与控制A－P和D－V轴线的因子互作，以指导细胞的分化。DevelopmentalBiologyAER的形成依赖于背部外胚层和腹部外胚层的互作证据：①将一个肢芽的腹部外胚层细胞移植到另一肢芽的背部外胚层中，将产生一个额外的AER；②在肢芽外胚层背部化的突变体上，因缺少腹部外胚层而不能生成AER，造成无肢体。DevelopmentalBiologyAER中FGF8的表达是肢体生长所必需的DevelopmentalBiology肢芽形成中的分子互作模型DevelopmentalBiologyAER在肢芽沿P－D轴线生长中的作用说明AER是维持间质细胞分裂、推动肢体向外生长所必需的说明AER影响A-P轴线说明间质细胞决定了肢体的类型说明间质细胞是维持AER所必需的二、肢体近－远端轴线的生成DevelopmentalBiologyAER维持间质细胞的分裂能力、防止其形成软骨：去除AER中将分化为脚趾间组织的细胞，将形成额外的脚趾。DevelopmentalBiology鸡的两套趾症源于肢芽上有两个AERDevelopmentalBiology用鹌鹑的AER取代无肢体鸡的AER可以导致正常的肢体发育DevelopmentalBiologyAER对P－D轴线影响的分子基础是FGF因子DevelopmentalBiologyProgressZone(PZ)识别和决定肢体的P－D轴生长程度证据一Progresszone是指AER内保持了旺盛分裂能力的间质细胞区域。不同时间离开progresszone的细胞分化为不同的软骨。证据之一是，在不同时间去除AER，所形成的肢体骨不同。DevelopmentalBiology肢体的P-D极性决定于PZ而非AER：证据二老幼肢体间AER的互换不会出现类似现象。老幼肢体间PZ细胞的互换改变P－D极性。EarlybudPZtolatebudLatebudPZtoearlybudDevelopmentalBiology间质细胞离开PZ区的时间决定了其分化命运DevelopmentalBiology利用突变体研究AER和PZ相互作用DevelopmentalBiologyHox基因在决定肢体P－D轴线中的作用DevelopmentalBiologyHox基因缺陷导致肢体相应部位的缺失DevelopmentalBiology人的多指症也可能与Hox基因的异位表达有关DevelopmentalBiology蝾螈肢体的再生两栖类动物肢体被截除后，可以重新长出被截区的部分。肢体切除后的6－12小时内，剩余部分的表皮细胞移向窗口表面形成单细胞层表皮，再通过细胞增殖形成顶端外胚层帽(apicalectodermalcap).在随后的4天中，顶端外胚层帽下的骨细胞、软骨细胞、成纤维细胞、肌细胞、神经细胞发生去分化作用，构成再生胚基(regenerationblastema),继续增殖、分化形成肢体结构。DevelopmentalBiology肢体的再生分神经依赖性和非神经依赖性两个阶段神经细胞释放的GGF、运铁蛋白、FGF2等可能有助于细胞的去分化DevelopmentalBiology截肢位置信息的识别：顶端外胚层帽识别截口近端的位置信息，并重建其远端的位置信息DevelopmentalBiology不同部位的再生胚基不同的重建位置信息DevelopmentalBiology不同部位的再生胚基细胞表面的粘附特性不同(远端更强)，这种粘附性质可能是P－D位置信息的一部分DevelopmentalBiologyRetinoicacid可以改变再生肢体的位置信息，使胚基近端化(proximalizing)DevelopmentalBiology三、肢体A－P轴线的确定鸡的肢芽尚未形成之前，其A－P和D－V轴线就已经确定。(移植的肢芽的极性不受受体胚胎极性的影响)DevelopmentalBiology极性决定区(zoneofpolarizingactivity,ZPA)位于后部间质细胞区DevelopmentalBiology将额外的ZPA移植到肢芽的前端可导致远端形成镜像对称结构DevelopmentalBiologySonicHedgehog的表达部位与ZPA吻合DevelopmentalBiologySonicHedgehog具有ZPA活性的实验证据DevelopmentalBiologyZPA活性决定A－P轴线的信号传导机制第二种模型的证据：SHH可诱导BMP2的产生，BMP2再诱导其它因子的合成。DevelopmentalBiologySHH的下游基因是Hoxd基因DevelopmentalBiologyAER中的信号分子对于激活和维持SHH的表达起重要作用AER中的FGF8不能诱导前部合成SHH，可能与Hoxb8的表达有关DevelopmentalBiology四、肢体D－V轴线的确定在背部外胚层特异性表达的Wnt-7a诱导背部间质细胞合成转录因子Lmx-1，后者再控制肢芽背部特异性基因的表达。Lmx-1在背、腹间质细胞中都表达，导致双被部结构。Engrailed在小鼠肢芽腹部外胚层表达，其突变体的肢芽腹部外胚层可表达Wnt-7a，从而形成双背部结构。DevelopmentalBiology敲除Wnt-7a的小鼠的脚掌有镜像对称的双腹部结构敲除Wnt-7a的小鼠的脚掌缺少后部趾，说明其也影响A－P极性DevelopmentalBiology前肢芽和后肢芽的成软骨细胞对信号因子的反应及纤粘连蛋白的沉积方式不同五、前肢和后肢发育机制有所不同DevelopmentalBiologyTbx5和Tbx4分别指定了前肢芽和后肢芽的发育人的Holt-OramSyndrome表现为心脏和手的畸形，而脚是正常的，其TBX5基因发生了突变DevelopmentalBiologyFGF诱导的肢体类型决定于肢芽是表达Tbx5或Tbx4DevelopmentalBiologyTbx4的异位表达可改变FGF的诱导结果。DevelopmentalBiology六、细胞凋亡与趾的形成两栖类动物的趾的形成依赖于趾区和趾间区生长速度的差异DevelopmentalBiology决定细胞死亡的是间质细胞，而不是外胚层细胞。DevelopmentalBiology在早期肢芽中，BMP2、BMP4、BMP7在趾间组织中表达，促进趾间组织的凋亡，趾区表达的noggin可拮抗BMP。但在较后期的肢体中，BMP促进间质细胞分化为软骨。DevelopmentalBiology骨形成蛋白BMP2、BMP7、GDF5在关节形成中的作用在noggin-/-小鼠胚胎中，BMP7使所有间质细胞转变为软骨细胞，导致无趾关节；含GDF5突变的人无趾关节，GDF5和BMP2的作用可能是杀死关节间的间质细胞或使其快速分化。BMP7BMP2GDF5DevelopmentalBiology七、肢体的进化3.6－4亿年前泥盆纪的四肢动物的肢体近端结构与鱼鳍相似DevelopmentalBiology在鱼鳍和鸡后肢中Hox基因的表达谱相似DevelopmentalBiology不同物种的肢体骨结构是相似的DevelopmentalBiology决定肢体轴线的分子机制在不同物种上是保守的DevelopmentalBiologyTHEEND