肢芽的形成肢体区课件

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1、尺骨尺骨肱骨肱骨桡骨桡骨腕骨腕骨趾趾4趾趾2趾趾3肢体的三个轴线肢体的三个轴线脊椎动物肢脊椎动物肢体在结构和体在结构和发育上是保发育上是保守的。守的。一、肢芽的形成一、肢芽的形成 肢体区肢体区(limb field):由有能力形由有能力形成一个肢体的中胚成一个肢体的中胚层细胞所组成的区层细胞所组成的区域。域。肢体区细胞的肢体区细胞的特点：特点：可调节性。可调节性。寄生虫卵寄生虫卵在肢芽中在肢芽中的繁殖导的繁殖导致多肢体致多肢体的形成。的形成。树蛙肢芽在躯干上的形成部位可能受肢芽在躯干上的形成部位可能受视黄酸和视黄酸和hox基因的控制基因的控制 如多种动物如多种动物的前肢芽都出现的前肢芽都出现于

2、于Hoxc-6表达谱表达谱的最前部边界，的最前部边界，即第一胸椎所处即第一胸椎所处位置。位置。肢体细胞的来源肢体细胞的来源肌肉细胞前体：肌肉细胞前体：来源于体节的轴下生肌区；来源于体节的轴下生肌区；骨细胞前体：骨细胞前体：侧板中胚层的体细胞区间质细胞。侧板中胚层的体细胞区间质细胞。肢芽的形成肢芽的形成受来自于中间中胚层受来自于中间中胚层(intermediate mesoderm)如肾前体的信如肾前体的信号诱导号诱导，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。，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。新的研究表明，新的研究表明，侧板中胚层中侧板中胚层中将要产生肢体

3、间质将要产生肢体间质细胞的细胞分泌的细胞的细胞分泌的FGF10诱导了肢芽的形成。诱导了肢芽的形成。AER：中胚层间质细胞诱导其外侧的外胚层：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。界处，是肢体生长的主要信号中心。AER的作用的作用：1.维持其内侧的间质细胞的增生能力，使肢体沿维持其内侧的间质细胞的增生能力，使肢体沿ProximalDistal轴线生长。轴线生长。2.维持维持AP轴线控制因子的表达。轴线控制因子的表达。3.与控制与控制AP和和DV轴线的因子互作，以指导轴线的因子互作，以指导

4、细胞的分化。细胞的分化。顶端外胚层嵴顶端外胚层嵴(apical ectodermal ridge,AER)的形成的形成 AER的形成依赖于背部外胚层和腹部外胚层的互作的形成依赖于背部外胚层和腹部外胚层的互作 证据：证据：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，将产生一个额外的中，将产生一个额外的AER；在肢芽外胚层背部化的突变体上，因缺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少腹部外胚层而不能生成AER，造成无肢体。，造成无肢体。AER中中FGF8的表达是肢体生长所必需的的表达是肢体生长所必需的肢芽形成中的分子

5、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轴线轴线生长生长中的作用中的作用说明说明AER是维持间质是维持间质细胞分裂、推动肢体细胞分裂、推动肢体向外生长所必需的向外生长所必需的说明说明AER影响影响A-P轴线轴线说明间质细胞决定了说明间质细胞决定了肢体的类型肢体的类型说明间质细胞是维持说明间质细胞是维持AER所必需的所必需的二、肢体近远端轴线的生成二、肢体近远端轴线的生成 AER维持间质细胞的分裂能力、防止其形成软骨：维持间质细胞的分裂能力、防止其形成软骨：去除去除AER中将分化为脚趾间组织的细胞，将形成额外的脚趾。中将分化为脚趾间组织的细胞，将形成额外的脚趾。鸡的两套趾症源于

6、肢芽上有两个鸡的两套趾症源于肢芽上有两个AER用鹌鹑的用鹌鹑的AER取代无肢体鸡的取代无肢体鸡的AER可以导致正常的肢体发育可以导致正常的肢体发育AER对对PD轴线轴线影响影响的的 分子基分子基础是础是FGF因因子子Progress Zone(PZ)识别和决定识别和决定肢体的肢体的PD轴生长程度轴生长程度证证 据据 一一 Progress zone是指是指AER内保持了旺盛分内保持了旺盛分裂能力的间质细裂能力的间质细胞区域。胞区域。不同时间离不同时间离开开progress zone的细胞分化的细胞分化为不同的软骨。为不同的软骨。证据之一是，在证据之一是，在不同时间去除不同时间去除AER，所形成

7、的，所形成的肢体骨不同。肢体骨不同。肢体的肢体的P-D极性决定于极性决定于PZ而非而非AER：证据二：证据二老幼肢体老幼肢体间间AER的互换的互换不会出现类似现象。不会出现类似现象。老幼肢体老幼肢体间间PZ细胞细胞的互的互换改变换改变PD极性。极性。Early bud PZ to late budLate bud PZ to early bud间质细胞离开间质细胞离开PZPZ区的时间决定了其分化命运区的时间决定了其分化命运利用突变体研究利用突变体研究AERAER和和PZPZ相互作用相互作用Hox基因在决定肢体基因在决定肢体P PD D轴线中的作用轴线中的作用Hox基因缺陷导致肢体相应部位的缺失

8、基因缺陷导致肢体相应部位的缺失人的多指症人的多指症也可能与也可能与Hox基因的异位基因的异位表达有关表达有关三三、肢体、肢体AP轴线的确定轴线的确定 鸡的肢芽尚未鸡的肢芽尚未形成之前，其形成之前，其AP和和DV轴轴线就已经确定。线就已经确定。(移植的肢芽的移植的肢芽的极性不受受体极性不受受体胚胎极性的影胚胎极性的影响响)极化活动区极化活动区(zone of polarizing activity,ZPA)位于后部间质细胞区位于后部间质细胞区将额外的将额外的ZPA移植到肢芽的前端移植到肢芽的前端可导致远端形成镜像对称结构可导致远端形成镜像对称结构Sonic Hedgehog的表达部位与的表达部位

9、与ZPA吻合吻合Sonic Hedgehog具有具有ZPA活性的实验证据活性的实验证据SHH的下游基因是的下游基因是Hoxd基因基因AER中的信号分子对中的信号分子对于激活和维持于激活和维持SHH的的表达起重要作用表达起重要作用AER中的中的FGF8不能诱不能诱导前部合成导前部合成SHH，可能，可能与与Hoxb8的表达有关的表达有关形态发生子模型形态发生子模型:视黄酸视黄酸!极性坐标模型极性坐标模型:四四、肢体、肢体DV轴线的确定轴线的确定 在背部外胚层特异性表在背部外胚层特异性表达的达的Wnt-7a诱导背部间质细诱导背部间质细胞合成转录因子胞合成转录因子Lmx-1，后，后者再控制肢芽背部特异

10、性基者再控制肢芽背部特异性基因的表达。因的表达。Lmx-1在背、腹在背、腹间质细胞中都表达，导致双间质细胞中都表达，导致双背背部结构。部结构。Engrailed在小鼠肢芽腹在小鼠肢芽腹部外胚层表达，其突变体的部外胚层表达，其突变体的肢芽腹部外胚层可表达肢芽腹部外胚层可表达Wnt-7a，从而形成双背部结构。，从而形成双背部结构。敲除敲除Wnt-7a的小鼠的脚掌有镜像对称的双腹部结构的小鼠的脚掌有镜像对称的双腹部结构敲除敲除Wnt-7a的小鼠的脚掌缺少的小鼠的脚掌缺少后部趾，说明其也影响后部趾，说明其也影响AP极性极性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前肢芽和后肢

11、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五五、前肢和后肢发育机制有所不同、前肢和后肢发育机制有所不同Tbx5和和Tbx4分别指定了分别指定了前肢芽和后肢芽的发育前肢芽和后肢芽的发育 人的人的Holt-Oram Syndrome表现为心脏和表现为心脏和手的畸形，而脚是正常的，其手的畸形，而脚是正常的，其TBX5基因发基因发生了突变生了突变。心手综合征心手综合征(Holt-Oram syndrome,HOS)是一种常染色体显性遗传病是一种常染色体显性遗传病,发病率约发病率约1/100000,主要表现为先天性上肢和心脏畸形主要表现为先天性上肢和心脏畸形,但畸形在每个个体差异很大。但畸

12、形在每个个体差异很大。FGF诱导的肢体类诱导的肢体类型决定于肢芽是表型决定于肢芽是表达达Tbx5或或Tbx4Tbx4的异位表达的异位表达可改变可改变FGF的的诱导诱导结果。结果。六六、细胞凋亡与趾的形成、细胞凋亡与趾的形成 两栖类动物两栖类动物的趾的形成依赖的趾的形成依赖于趾区和趾间区于趾区和趾间区生长速度的差异生长速度的差异 决定细胞死亡的决定细胞死亡的是间质细胞，而不是是间质细胞，而不是外胚层细胞。外胚层细胞。在早期肢芽中，在早期肢芽中，BMP2、BMP4、BMP7在趾间组织在趾间组织中表达，中表达，促进趾间促进趾间组织的凋亡，趾区组织的凋亡，趾区表达的表达的noggin可拮可拮抗抗BMP

13、。但在较后期的但在较后期的肢体中，肢体中，BMP促进促进间质细胞分化为软间质细胞分化为软骨。骨。骨形成蛋白骨形成蛋白BMP2、BMP7、GDF5在关节形成中的作用在关节形成中的作用在在noggin-/-小鼠胚胎中，小鼠胚胎中，BMP7使所有间质细胞转变为软骨细胞，导使所有间质细胞转变为软骨细胞，导致无趾关节；含致无趾关节；含GDF5突变的人无趾关节，突变的人无趾关节，GDF5和和BMP2的作用可的作用可能是杀死关节间的间质细胞或使其快速分化。能是杀死关节间的间质细胞或使其快速分化。BMP7BMP2GDF5TulerpetonPanderichthys七七、肢体的进化、肢体的进化3.64亿年前泥

14、盆纪的四肢动物的亿年前泥盆纪的四肢动物的肢体近端结构与鱼鳍相似肢体近端结构与鱼鳍相似在鱼鳍和鸡后肢中在鱼鳍和鸡后肢中Hox基因的表达谱相似基因的表达谱相似不同物种的肢体骨结构是相似的不同物种的肢体骨结构是相似的决定肢体轴线的分子机制在不同物种上是保守的决定肢体轴线的分子机制在不同物种上是保守的八、蝾螈肢体的再生八、蝾螈肢体的再生水中精灵蝾螈 最早研究再生的是最早研究再生的是Morgen(1901)1、变形再生、变形再生2、新建再生、新建再生蝾螈附肢再生的过程：蝾螈附肢再生的过程：1、创伤愈合、创伤愈合 2、组织破坏和去分化、组织破坏和去分化 3、再生芽基的形成、再生芽基的形成 4、形态发生和分

15、化、形态发生和分化蝾螈的再生：蝾螈的再生：两栖类动物肢体被截除两栖类动物肢体被截除后，可以重新长出被截区的后，可以重新长出被截区的部分。部分。肢体切除后的肢体切除后的612小小时内，时内，剩余部分的表皮细胞剩余部分的表皮细胞移向窗口表面形成单细胞层移向窗口表面形成单细胞层表皮表皮，再通过细胞增殖形成，再通过细胞增殖形成顶端外胚层帽顶端外胚层帽(apical ectodermal cap).在随后在随后的的4天中，天中，顶端外胚层帽下顶端外胚层帽下的骨细胞、软骨细胞、成纤的骨细胞、软骨细胞、成纤维细胞、肌细胞、神经细胞维细胞、肌细胞、神经细胞发生去分化作用发生去分化作用，构成，构成再生再生胚基胚

16、基(regeneration blastema),继续增殖、分化继续增殖、分化形成肢体结构形成肢体结构。肢体的再生分神经依赖性和非神经依赖性两个阶段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神经细胞释放的释放的GGF、运、运铁蛋白、铁蛋白、FGF2等等可能有助可能有助于细胞的于细胞的去分化去分化芽基细胞的来源芽基细胞的来源截肢位置信息的识别：截肢位置信息的识别：1、远端转变规律、远端转变规律（rule of distal transformation)顶端外胚层帽识别截口近端的位置信息，并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重建其远端的位置信息2、不同部位的再生胚基不同部位的再生胚基不同不同的重建位置信息的重建位置信息 3、不同部位的再生胚基细胞表面的粘附特性、不同部位的再生胚基细胞表面的粘附特性不同不同(远端更强远端更强)，这种粘附性质可能是，这种粘附性质可能是PD位置信息的一部分位置信息的一部分。Retinoic acid可以改变再生肢体的位可以改变再生肢体的位置信息，使胚基近端化置信息，使胚基近端化(proximalizing)THE END