第七章-器官发生二四肢.ppt

第七章第七章 器官发生器官发生（二）（二）————四肢四肢第一节第一节 肢芽的形成肢芽的形成第二节第二节 肢体近远轴的图示形成肢体近远轴的图示形成第三节第三节 肢体前后轴的图式形成肢体前后轴的图式形成第四节第四节 肢体背腹轴的图式形成肢体背腹轴的图式形成第五节第五节 肢芽发育过程中的形态发生肢芽发育过程中的形态发生第六节第六节 人类四肢常见先天性畸形人类四肢常见先天性畸形v在所有的四足动物中，附肢发育的在所有的四足动物中，附肢发育的基本形态发生基本形态发生原则（原则（basic morphogenetic rulesbasic morphogenetic rules））是相同的是相同的v构建一个附肢所需要的构建一个附肢所需要的位置信息位置信息要在一个三维要在一个三维（或包括时间在内的四维）的、相互协调的系统（或包括时间在内的四维）的、相互协调的系统中发挥作用中发挥作用v四肢的三个轴向具有固定的相对位置，不同部位四肢的三个轴向具有固定的相对位置，不同部位的结构容易区分是一个相对独立的的结构容易区分是一个相对独立的““等能调和等能调和系统系统””v轴向的确定、图示形成、相同细胞的区域化、细轴向的确定、图示形成、相同细胞的区域化、细胞的迁移和凋亡、神经轴突的生长导入。

胞的迁移和凋亡、神经轴突的生长导入肢体的三个轴线肢体的三个轴线肱骨肱骨尺骨尺骨桡骨桡骨腕骨腕骨脊椎动物肢体脊椎动物肢体在结构和发育在结构和发育上是保守的上是保守的一、肢芽的形成及其位置决定一、肢芽的形成及其位置决定 肢体区肢体区(limb (limb field): field): 由有能力形成由有能力形成一个肢体的中胚层细胞一个肢体的中胚层细胞所组成的区域沿体轴所组成的区域沿体轴两侧形成四个特定的圆两侧形成四个特定的圆形区域 肢体区细胞的特点：肢体区细胞的特点：区域性、可调节性区域性、可调节性寄生虫卵在肢芽中的繁殖导寄生虫卵在肢芽中的繁殖导致多肢体的形成致多肢体的形成肢芽在躯干上的形成部位可能肢芽在躯干上的形成部位可能受视黄酸和受视黄酸和hoxhox基因的控制基因的控制在脊椎动物的胚胎发育在脊椎动物的胚胎发育中，四肢只能在体轴两中，四肢只能在体轴两侧的特定区域发生，对侧的特定区域发生，对称地排列在身体中线两称地排列在身体中线两侧如多种动物的前肢芽都如多种动物的前肢芽都出现于出现于Hoxc-6Hoxc-6表达谱的表达谱的最前部边界，即第一胸最前部边界，即第一胸椎所处位置。

椎所处位置v人胚发育到人胚发育到26d26d左右，腹部外侧出现小丘状的上肢芽，两天左右，腹部外侧出现小丘状的上肢芽，两天后出现下肢芽后出现下肢芽v鸡胚在发育至鸡胚在发育至15-2015-20对体节时，肢芽开始发生第一个迹象对体节时，肢芽开始发生第一个迹象是是体节中胚层体节中胚层细胞沿胚胎长轴的增殖，逐渐在表皮下形成加细胞沿胚胎长轴的增殖，逐渐在表皮下形成加厚的细胞团，这部分细胞团分离出来形成一团间质细胞并迁厚的细胞团，这部分细胞团分离出来形成一团间质细胞并迁移、贴附于表皮的内表面移、贴附于表皮的内表面v实验证明，细胞增殖的起始阶段好像受附近实验证明，细胞增殖的起始阶段好像受附近中肾中肾的调节v侧板中胚层的增厚和随后表皮下一团间质的形成可能与侧板中胚层的增厚和随后表皮下一团间质的形成可能与两对两对附肢的位置附肢的位置紧密相关紧密相关v在羊膜动物中，这种增厚和间质的聚集沿身体的整个长度形在羊膜动物中，这种增厚和间质的聚集沿身体的整个长度形成一条纵行的嵴，称为成一条纵行的嵴，称为乌尔夫氏嵴乌尔夫氏嵴此嵴的前后两处的增厚此嵴的前后两处的增厚部分增殖较快，逐渐发育为部分增殖较快，逐渐发育为前肢和后肢前肢和后肢，中间相对较薄的部，中间相对较薄的部分此后消失。

分此后消失二、附肢（四肢）的早期发育二、附肢（四肢）的早期发育鸡胚胎的肢芽鸡胚胎的肢芽孵化后第三天胚胎孵化后第三天胚胎的侧面出现肢芽的侧面出现肢芽肢芽由肢芽由中胚层中胚层构成，构成，其上覆有外胚层，其上覆有外胚层，肢芽的边缘是增厚肢芽的边缘是增厚的外胚层嵴，即的外胚层嵴，即顶顶外胚层嵴外胚层嵴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 肢芽的形成受来自于肢芽的形成受来自于中间中胚层中间中胚层如肾前体的信号诱导，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两栖类胚胎中附肢由中胚层起源的图解两栖类胚胎中附肢由中胚层起源的图解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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三、前肢和后肢发育机制有所不同三、前肢和后肢发育机制有所不同Tbx5和和Tbx4分别指定了前肢芽和后肢芽的发育分别指定了前肢芽和后肢芽的发育人的人的Holt-Oram Syndrome表现为心脏和手的表现为心脏和手的畸形，而脚是正常的，其畸形，而脚是正常的，其TBX5基因发生了突变基因发生了突变前肢和后肢的特化前肢和后肢的特化vGain-of-function实验结果表明，实验结果表明，转录因子转录因子TBX4和和TBX5分别与后肢和前肢的特化有分别与后肢和前肢的特化有关关。

vLoss-of-function资料也表明，人类资料也表明，人类TBX5基基因缺失会导致上肢和心脏的异常，但下肢因缺失会导致上肢和心脏的异常，但下肢基本不受影响基本不受影响TBX4 和和TBX5在肢在肢型特化中的型特化中的作用作用人的人的Holt-Oram Syndrome表现为心脏和手的畸表现为心脏和手的畸形，而脚是正常的，其形，而脚是正常的，其TBX5基因发生了突变基因发生了突变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Tbx4Tbx4的异位表达的异位表达可改变可改变FGF的诱导的诱导结果一、顶端外胚层嵴一、顶端外胚层嵴(apical ectodermal ridge, AER)的形的形成成 AER：中胚层间质细胞诱导：中胚层间质细胞诱导其外侧的外胚层细胞形成突起结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维持其内侧的间质细胞的增生 能力，使肢体沿能力，使肢体沿Proximal－－ Distal轴线生长。

轴线生长2. 维持维持A－－P轴线控制因子的表轴线控制因子的表 达3. 与控制与控制A－－P和和D－－V轴线的因轴线的因 子互作，以指导细胞的分化子互作，以指导细胞的分化第二节第二节 肢体近－远端轴线的图式形成肢体近－远端轴线的图式形成 AERAER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：①①将一个肢芽的腹部外胚层细胞移植到另一肢芽的背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，将产生一个额外的部外胚层中，将产生一个额外的AERAER；；②②在肢芽外胚层背部化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的突变体上，因缺少腹部外胚层而不能生成AERAER，造成无肢体造成无肢体二、二、AER介导肢体发育中不同胚层间的相互诱导作用介导肢体发育中不同胚层间的相互诱导作用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P－－D轴线轴线生长中的作用生长中的作用说明说明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轴轴线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 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鸡的两套趾症源于肢芽上有两个鸡的两套趾症源于肢芽上有两个AERAER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P－－D轴线轴线影响的影响的 分子基础是分子基础是FGF因子因子vSummerbellSummerbell等制定了在鸡胚附肢发育中近等制定了在鸡胚附肢发育中近- -远轴建立远轴建立的的渐进带模型渐进带模型: :在附肢内中胚层细胞的命运是由在附肢内中胚层细胞的命运是由它们在附肢顶端被称为渐进带的区域中保留它们在附肢顶端被称为渐进带的区域中保留多长时间决定的多长时间决定的v首先被推离渐进带的细胞脱离首先被推离渐进带的细胞脱离AERAER的影响，将形成附肢最近的影响，将形成附肢最近端的成分，而在渐进带中保持较长时间的细胞将形成附肢较端的成分，而在渐进带中保持较长时间的细胞将形成附肢较远端的成分远端的成分v说明了：中胚层细胞一旦离开渐进带和脱离说明了：中胚层细胞一旦离开渐进带和脱离AERAER的影的影响，其命运就被不可逆的固定了；一个细胞的位置响，其命运就被不可逆的固定了；一个细胞的位置信息是由其受信息是由其受AERAER影响的时间长短决定的。

影响的时间长短决定的v不同结果不同结果----分歧分歧：可能由于胚胎发育时间的影响可能由于胚胎发育时间的影响三、肢体远近轴图式的形成依赖于渐进区的发育三、肢体远近轴图式的形成依赖于渐进区的发育Progress Zone (PZ) 识别和决定识别和决定肢体的肢体的P－－D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 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细胞的细胞的互换改变互换改变P－－D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PZ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AER和和PZ相互作用相互作用四、四、Hox基因在决定肢体基因在决定肢体P P－－D 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基因缺陷导致肢体相应部位的缺失人的多指症也可能人的多指症也可能与与Hox基因的异位表基因的异位表达有关达有关蝾螈肢体的再生蝾螈肢体的再生 两栖类动物肢体被截除后，两栖类动物肢体被截除后，可以重新长出被截区的部分。

可以重新长出被截区的部分 肢体切除后的肢体切除后的6－－12小时小时内，剩余部分的表皮细胞移向内，剩余部分的表皮细胞移向窗口表面形成单细胞层表皮，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再通过细胞增殖形成顶端外胚层帽层帽(apical ectodermal cap). 在随后的在随后的4天中，顶端天中，顶端外胚层帽下的骨细胞、软骨细外胚层帽下的骨细胞、软骨细胞、成纤维细胞、肌细胞、神胞、成纤维细胞、肌细胞、神经细胞发生去分化作用，构成经细胞发生去分化作用，构成再生胚基再生胚基(regeneration blastema),继续增殖、分化形继续增殖、分化形成肢体结构成肢体结构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释神经细胞释放的放的GGF、、运运铁蛋白、铁蛋白、FGF2等可等可能有助于细能有助于细胞的去分化胞的去分化截肢位置信息的识别：截肢位置信息的识别：顶端外胚层帽识别截口近端的位置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信息，并重建其远端的位置信息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不同的重建位置信息不同部位的再生胚基细胞表面的粘附特性不同不同部位的再生胚基细胞表面的粘附特性不同(远端远端更强更强)，这种粘附性质可能是，这种粘附性质可能是P－－D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)第三节第三节 肢体肢体A A－－P P轴线的图示形成轴线的图示形成 鸡的肢芽尚未形鸡的肢芽尚未形成之前，其成之前，其A A－－P P和和D D－－V V轴线就已轴线就已经确定。

经确定 (移植移植的肢芽的极性不的肢芽的极性不受受体胚胎极性受受体胚胎极性的影响的影响) )极性决定区极性决定区(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ZPA活性决定活性决定A－－P轴线的信号传导机制轴线的信号传导机制 第二种模型的证据：第二种模型的证据：SHH可诱导可诱导BMP2的产的产生，生，BMP2再诱导其它再诱导其它因子的合成因子的合成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第四节第四节 肢体肢体D D－－V V轴线的图式形成轴线的图式形成 在背部外胚层特异性表达在背部外胚层特异性表达的的Wnt-7aWnt-7a诱导背部间质细胞诱导背部间质细胞合成转录因子合成转录因子Lmx-1Lmx-1，后者再，后者再控制肢芽背部特异性基因的控制肢芽背部特异性基因的表达。

表达Lmx-1Lmx-1在背、腹间质细在背、腹间质细胞中都表达，导致双被部结胞中都表达，导致双被部结构 Engrailed Engrailed在小鼠肢芽在小鼠肢芽腹部外胚层表达，其突变体腹部外胚层表达，其突变体的肢芽腹部外胚层可表达的肢芽腹部外胚层可表达Wnt-7aWnt-7a，从而形成双背部结，从而形成双背部结构一、肢体背腹轴图式的确定一、肢体背腹轴图式的确定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的小鼠的脚掌缺少后部趾，说明其也影响的小鼠的脚掌缺少后部趾，说明其也影响A－－P极性极性v肢体的三个轴在图式发生过程中相互影响肢体的三个轴在图式发生过程中相互影响v肢体三个轴的图式形成过程存在相互依赖关系肢体三个轴的图式形成过程存在相互依赖关系二、三个轴在图式形成过程中的相互影响二、三个轴在图式形成过程中的相互影响第五节第五节 附肢中组织类型的决定附肢中组织类型的决定v中央浓缩的核区细胞最终分化成中央浓缩的核区细胞最终分化成软骨软骨，外面，外面包围着包围着血管层血管层，向外是，向外是无血管区无血管区，变为结缔，变为结缔组织、皮肤的真皮和血管区周围的肌肉群。

组织、皮肤的真皮和血管区周围的肌肉群v具有其独特的形成模式具有其独特的形成模式v体外实验证明，组成附肢芽的细胞是体外实验证明，组成附肢芽的细胞是多潜能多潜能的一、肢体远端结构的形态发生一、肢体远端结构的形态发生-细胞凋亡与趾的形成细胞凋亡与趾的形成两栖类动物的趾的两栖类动物的趾的形成依赖于趾区和形成依赖于趾区和趾间区生长速度的趾间区生长速度的差异差异决定细胞死亡的是决定细胞死亡的是间质细间质细胞胞，而不是外胚层细胞而不是外胚层细胞 在早期肢芽中在早期肢芽中，，BMP2、、BMP4、、BMP7在趾间组在趾间组织中表达，织中表达，促进促进趾间组织的凋亡，趾间组织的凋亡，趾区表达的趾区表达的noggin可拮抗可拮抗BMP 但在较后期的但在较后期的肢体中，肢体中，BMP促促进间质细胞分化进间质细胞分化为软骨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nogginnoggin-/--/-小鼠胚胎中，小鼠胚胎中，BMP7BMP7使所有间质细胞转变为软骨使所有间质细胞转变为软骨细胞，导致无趾关节；含细胞，导致无趾关节；含GDF5GDF5突变的人无趾关节，突变的人无趾关节，GDF5GDF5和和BMP2BMP2的作用可能是杀死关节间的间质细胞或使其快速分化。

的作用可能是杀死关节间的间质细胞或使其快速分化BMP7BMP2GDF5二、肢体关节的形态发生二、肢体关节的形态发生三、肢体的进化三、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亿年前泥盆纪的四肢动物的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HoxHox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第六节第六节 人四肢发生的过程人四肢发生的过程v第第2626天，胚胎腹侧出现上肢芽，两天后出现下肢天，胚胎腹侧出现上肢芽，两天后出现下肢芽，肢芽成为将来的上肢和下肢，肢体先呈浆状，芽，肢芽成为将来的上肢和下肢，肢体先呈浆状，然后伸长，末端出现凹沟，沟成为膜状蹼，蹼以然后伸长，末端出现凹沟，沟成为膜状蹼，蹼以后消失，第后消失，第52-5552-55天成为分开的指（趾）天成为分开的指（趾）. .人类四肢常见先天性畸形人类四肢常见先天性畸形v种类甚多，可发生在肢体的上、中、下各段种类甚多，可发生在肢体的上、中、下各段v一类是一类是肢体缺失肢体缺失，包括横向和纵向肢体缺失。

前者即，包括横向和纵向肢体缺失前者即先天性先天性短肢短肢，如无臂、无手、无指等、下肢亦然纵向肢体缺如有，如无臂、无手、无指等、下肢亦然纵向肢体缺如有上肢桡侧或尺侧缺失，下肢胫侧或腓侧缺失还有海豹样手上肢桡侧或尺侧缺失，下肢胫侧或腓侧缺失还有海豹样手或足畸形，表现为手或足长在短小的肢体上，或直接长在躯或足畸形，表现为手或足长在短小的肢体上，或直接长在躯干上v另一类是另一类是肢体分化障肢体分化障碍，如某块肌或肌群缺如、关节发育不碍，如某块肌或肌群缺如、关节发育不良、骨畸形、骨融合、多指（趾）、并指（趾）畸形等此良、骨畸形、骨融合、多指（趾）、并指（趾）畸形等此外，马蹄内翻足（即足底内翻）亦较常见外，马蹄内翻足（即足底内翻）亦较常见v先天性髋关节脱位先天性髋关节脱位，较常见，常伴有其他畸形较常见，常伴有其他畸形作作 业业v以眼的发育为例说明胚胎诱导现象以眼的发育为例说明胚胎诱导现象v以鸟类发育为例说明附肢是胚胎发生过程中以鸟类发育为例说明附肢是胚胎发生过程中相互作用系统形成的结构相互作用系统形成的结构。