1、發育生物學第五章四肢動物肢體發育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。一、肢芽的形成一、肢芽的形成 肢體區肢體區(limb field): 由有由有能力形成一個肢體的中胚層細能力形成一個肢體的中胚層細胞所組成的區域。胞所組成的區域。 肢體區細胞的特點：可調節肢體區細胞的特點：可調節性。性。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。肢芽在軀干上的形成部位可能受視肢芽在軀干上的形成部位可能受視黃酸和黃酸和hox基因的控制基因的控制如多種動物的前肢芽都出如多種動物的前肢

2、芽都出現于現于Hoxc-6表達譜的最前表達譜的最前部邊界，即第一胸椎所處位部邊界，即第一胸椎所處位置。置。 肢體細胞的來源肢體細胞的來源肌肉細胞前體：來源于體節的軸下生肌區；肌肉細胞前體：來源于體節的軸下生肌區；骨細胞前體：側板中胚層的體細胞區間質細胞。骨細胞前體：側板中胚層的體細胞區間質細胞。 肢芽的形成受來自于中間中胚層肢芽的形成受來自于中間中胚層(intermediate mesoderm)如腎前體的信號誘導如腎前體的信號誘導，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。新的研究表明，側板中胚層中將要產生肢體間質細胞新

3、的研究表明，側板中胚層中將要產生肢體間質細胞的細胞分泌的的細胞分泌的FGF10誘導了肢芽的形成。誘導了肢芽的形成。頂端外胚層嵴頂端外胚層嵴(apical ectodermal ridge, AER)的形成的形成 AER：中胚層間質細胞誘導其外：中胚層間質細胞誘導其外側的外胚層細胞形成突起結構，位于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界處，是肢體肢芽的遠端邊緣背腹交界處，是肢體生長的主要信號中心。生長的主要信號中心。 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.

4、 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。 AER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：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中，將產生一個額外的一個額外的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不能生成AER，造成無肢體。造成無肢體。AER中中FGF8的表達是肢體生長所必需的的表

5、達是肢體生長所必需的肢芽形成中的分子互作模型肢芽形成中的分子互作模型AER在肢芽沿在肢芽沿PD軸線軸線生長生長中中的作用的作用說明說明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 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織的細胞

6、，將形成額外的腳趾。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AER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AER對對PD軸線軸線影響的影響的 分分子基礎是子基礎是FGF因子因子Progress 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能保持了旺盛分裂能力的間質細胞區域力的間質細胞區域。 不同時間離開不同時間離開progress zone的的細胞分化為不同的細胞分化為不同的軟骨。證據之一是軟骨。證據之一是，在不

7、同時間去除，在不同時間去除AER，所形成的肢所形成的肢體骨不同。體骨不同。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的互換不的互換不會出現類似現象。會出現類似現象。老幼肢體老幼肢體間間PZ細胞細胞的互的互換改變換改變PD極性。極性。Early bud PZ to late budLate bud PZ to early bud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Hox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Hox基因缺陷

8、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人的多指癥也可能與人的多指癥也可能與Hox基因的異位表達有基因的異位表達有關關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小時內，小時內，剩余部分的表皮細胞移向窗口表面剩余部分的表皮細胞移向窗口表面形成單細胞層表皮，再通過細胞增形成單細胞層表皮，再通過細胞增殖形成頂端外胚層帽殖形成頂端外胚層帽(apical ectodermal cap). 在隨后的在隨后的4天天中，中，頂端外胚層帽下的骨細胞頂端外胚層帽下的骨細胞、軟骨細胞、

9、成纖維細胞、肌、軟骨細胞、成纖維細胞、肌細胞、神經細胞發生去分化作細胞、神經細胞發生去分化作用，構成再生胚基用，構成再生胚基(regeneration blastema),繼續繼續增殖、分化形成肢體結構。增殖、分化形成肢體結構。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、運運鐵蛋白、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信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息，并重建其遠端的位置信息不同部位的再生胚

10、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(遠端更強遠端更強)，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Retinoic acid可以改變再生肢體的位置信息可以改變再生肢體的位置信息，使胚基近端化，使胚基近端化(proximalizing)三三、肢體、肢體AP軸線的確定軸線的確定 雞的肢芽尚雞的肢芽尚未形成之前未形成之前，其，其AP和和DV軸線就軸線就已經確定。已經確定。(移植的肢芽移植的肢芽的極性不受的極性不受受體胚胎極受體胚胎極性的影響性的影響)極性決定區極性決定

11、區(zone of polarizing activity, ZPA)位于后部間質細胞區位于后部間質細胞區將額外的將額外的ZPA移植到肢芽的前端可導致移植到肢芽的前端可導致遠端形成鏡像對稱結構遠端形成鏡像對稱結構Sonic Hedgehog的表達部位與的表達部位與ZPA吻合吻合Sonic Hedgehog具有具有ZPA活性的實驗證據活性的實驗證據ZPA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再誘導其它因再誘導其它因子的合成。子的合成。SHH的下游基因是的下游基因是Hoxd基因基因AER中的信

12、號分子對于中的信號分子對于激活和維持激活和維持SHH的表達的表達起重要作用起重要作用AER中的中的FGF8不能誘導不能誘導前部合成前部合成SHH，可能與可能與Hoxb8的表達有關的表達有關四四、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的在背部外胚層特異性表達的Wnt-7a誘導背部間質細胞合成誘導背部間質細胞合成轉錄因子轉錄因子Lmx-1，后者再控制后者再控制肢芽背部特異性基因的表達。肢芽背部特異性基因的表達。Lmx-1在背、腹間質細胞中都表在背、腹間質細胞中都表達，導致雙被部結構。達，導致雙被部結構。 Engrailed在小鼠肢芽腹部在小鼠肢芽腹部外胚層表達，其突變體的肢芽外

13、胚層表達，其突變體的肢芽腹部外胚層可表達腹部外胚層可表達Wnt-7a，從從而形成雙背部結構。而形成雙背部結構。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后部趾，說明其也影響部趾，說明其也影響AP極性極性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Tbx5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-Or

14、am Syndrome表現為心臟和手的畸形表現為心臟和手的畸形，而腳是正常的，其，而腳是正常的，其TBX5基因發生了突變基因發生了突變FGF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Tbx4Tbx4的異位表達可改的異位表達可改變變FGF的的誘導結果。誘導結果。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成兩棲類動物的趾的形成依賴于趾區和趾間區生依賴于趾區和趾間區生長速度的差異長速度的差異決定細胞死亡的是間質細胞，而決定細胞死亡的是間質細胞，而不是外胚層細胞。不是外胚層細胞。 在早期肢芽中在早期肢芽中，BMP2、BMP4、BMP7在趾間組織在趾間組織中表達，中表達，促進趾間促進趾間組織的凋亡，趾區組織的凋亡，趾區表達的表達的noggin可可拮拮抗抗BMP。 但在較后期的但在較后期的肢體中，肢體中，BMP促進促進間質細胞分化為軟間質細胞分化為軟骨。骨。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，導致無使所有間質細胞轉變為軟骨細胞，導