发育生物学

渐进带模式(progress zone model)
Progress zone model是假设每个中胚层细胞被分化 的原因,是由它在渐进带(progress zone; PZ) 中分 裂所花的时间长短来决定. 一个细胞在增长区所花的时间越长,它获得越多有 丝分裂的机会,而其构造越往远程发展. 既然增长区要维持一定的大小,当肢干生长时,细 胞必须不断离开增长区;一旦细胞离开,他们就形 成软骨组织.所以,第一个离开的细胞会变成 stylopod (靠近体侧部分,如肱骨) ,而最后离开的 细胞形成autopod (远离体侧部分,如指骨) ,见下 图(A)
Morphogenesis: Vertebrate Limb Development
第十四章 附肢的发育和再生
附肢发育的研究是发育生物学的一个重要 课题.脊椎动物,特别是鸟类和两栖类附 肢(limb)的发育包含了大量的,各种各样 的诱导作用. 有尾类的蝾螈和美西螈附肢具有明显的再 生能力,是研究再生的极好模型.
早期定位与扩散模式
Early allocation and progenitor expansion model认为肢芽在很早就已经分化了,后来的 细胞分裂只是扩张已经分化的区域,见下图 (B). 当早期将AER移除的时候,这些特化的区域 还没扩张,所以大部分的间质细胞(在AER 200m之内)都死亡了,但当在较后期的胚胎 阶段,肢芽生长且区域扩张了,200m的范 围只会删除掉autopod的部分.
FGF10的表达及其在鸡肢发育过程中的作用
(A)在分肢正常形成之处的侧板中胚层lateral plate mesoderm里,有FGF10表现.(B)当 将会分泌FGF10的细胞转植于鸡胚的侧翼时,FGF10会使一异位的分肢形成.
Wnt proteins and fibroblast growth factors (FGFs)
1,附肢的起源
脊椎动物的附肢在起源上是由胚胎体壁向外 生长形成的,主要是由来自中胚层的疏松间 质形成的中央核,以及来自外胚层的表皮两 大部分组成. 附肢的原基称为附肢芽(limb bud).附肢芽 形成的位置在每一物种是恒定的,由Hox基 因沿身体前后轴表达的水平决定.
鸡胚胎的肢芽. 鸡胚胎的肢芽.孵 化后第三天胚胎的 侧面出现肢芽
TBX4和TBX5在FGF10诱导形成的肢芽中的表达
异位表达 TBX4,可 以使FGF10 诱导形成的 前肢转变为 后肢
apical ectodermal ridge (AER)
在鸟类和哺乳类中胚层诱导肢芽顶端前,后边缘的 外胚层细胞伸长,形成一个增厚的特殊结构,称为 顶外胚层嵴(AER).这个脊状的构造会跟肢芽指状 的边缘一起移动,并且会变成发展中四肢的主要信 号中心. 它扮演以下几种角色:(1)维持它下面的间质细胞处 于一种可塑,增生的阶段,使之能够完成肢干近- 远端 (proximal-distal) 的生长;(2)使那些可以引起 前-后轴 (anterior- posterior axis) (亦即,拇指到 小指) 形成的分子维持在一定的表现量;(3)与能够 特化前后轴跟背腹轴 (dorsal-ventral axis) 的蛋白质 相互作用,如此一来每个细胞就能得到如何来分化 的指示.
顶外胚层嵴
前肢,后肢的分化
Gain-of-function实验结果表明,转录因子 TBX4和TBX5分别与后肢和前肢的特化有关. Loss-of-function资料也表明,人类TBX5基 因缺失会导致上肢和心脏的异常,但下肢 基本不受影响.
TBX4 和TBX5在肢型特化中的作用
Tbx5(蓝色)表现于前端的侧板中胚层,此部分的肢芽将形成翅膀;Tbx4(红色)表现于后端的侧板中 胚层,此部分的肢芽则形成腿.倘若将含有FGF的小珠子植入表现Tbx4和Tbx5之间的区域,则在 此区域前端诱发Tbx5表现,于后端诱发Tbx4表现,所以此区域的分肢将同时形成翅膀和腿的构造.
如果AER被一个装有FGF的有孔小 珠所取代,那么仍然可以发育成正 常的肢干
顶外胚层嵴( 顶外胚层嵴(AER)对于肢芽近远轴图式的发育是必须的 对于肢芽近远轴图式的发育是必须的
在肢干发育中,越早移除AER,则肢干的缺失越大.上图分别为在第三天,第三 又二分之一天,第四天移除AER以及不移除AER对翅膀生长的影响.
渐进带(PZ)细胞控制近-远端分化
A.将早期翅芽的PZ移植到已经形成尺骨和挠骨的晚期翅芽中,形成额外的尺 骨和挠骨.B.将晚期翅芽的PZ移植到早期翅芽中,中间结构缺失.
附肢发育中至少要求三种类型的外胚层和 中胚层间的相互作用:第一,中胚层起始 附肢芽向外生长和形成AER;第二,AER 进一步刺激肢芽的向外生长以及肢芽中胚 层的增殖和分化;第三,附肢芽中胚层提 供保持AER所必须的刺激.
附肢发育时期轴的建立
脊椎动物完全形成的附肢包括三个轴的发育, பைடு நூலகம்别是近-远(P/D)轴,背-腹(D/V)轴和前 -后(A/P)轴. 附肢发育中三个轴的建立具有各自的时间性, 其顺序可能是:A/P axes-D/V axes-P/D axes.
近远轴(P-D)的发育
附肢沿近远轴的分化是由AER和附肢中胚 层诱导的相互作用产生的.附肢芽的逐渐 向外生长是由于位于AER下面间质细胞的 增殖,而AER释放的分子维持间质细胞不 断进行分裂. 由AER合成,释放到其下的间质中的成纤 维细胞生长因子FGF可能是鸡胚中维持间质 细胞增殖的分子.
一,脊椎动物附肢的发育
脊椎动物的附肢是一个极其复杂的器官,每 一块骨和肌肉的位置都被精密地组织在一起. 附肢在三个基本轴上是不对称的,但左前肢 总是和右前肢呈镜面对称. 脊椎动物的附肢都是由体壁中胚层和外部的 表皮共同组成的.
鸡翅内骨的排列模式及其不对称性
脊椎动物附肢由体壁中胚层和外部表皮共同形成,这些附肢的骨头主要包含3个部分:靠近体 壁的stylopod (如:肱骨humerus或股骨),中段为zeugopod (如:桡尺骨ulna 或胫腓骨radius), metacarpal(掌骨),最远程的是autopod (如:腕骨-手指digits或跗骨-脚指).
生长因子可以替代顶外胚层嵴. 生长因子可以替代顶外胚层嵴.将AER切除后,移植能 释放生长因子FGF-8的玻璃珠,可使肢几乎正常发育.
Specifying the limb mesoderm: Determining the P/D polarity of the limb
附肢沿P/D轴的分化是由AER和附肢中胚层诱导的 相互作用产生的.PZ的间质细胞在其中起到重要作 用. 但是这些间质细胞如何特化近-远轴?有两个模式被 提出来解释这个现象: ①渐进带模式(progress zone model)重视"时间" 的量度 ②早期定位与扩散模式(early allocation and progenitor expansion model )重视"空间"的量 度
扫描电 镜观察 孵化4.5 孵化 天的鸡 胚肢芽, 胚肢芽, 显示顶 外胚层 嵴AER. .
附肢发育中外胚层和中胚层间的相互作用 附肢的向外生长涉及AER和中胚层间持续的 相互作用.一旦中胚层诱导其上方的外胚层 形成AER,AER与中胚层的相互作用对附肢 的向外生长是最重要的. 中胚层在附肢发育中也起着关键的作用. AER起初的形成和继续存在依赖于位于其下 方的中胚层.
翅肢芽 顶外胚层嵴
腿肢芽
许多脊椎动物胚胎中的预定附肢区 (prospective limb area)已被定位.能形成 一个附肢的所有细胞,称为附肢场(limb field),包括位于中央的,产生附肢本身的 中胚层细胞(附肢盘,limb disc)以及形成 周围的躯干组织和肩带/腰带的细胞. 附肢场起初具有调节失去或增加部分附肢 的能力,附肢场中的每个细胞都能被指令 形成附肢的任意一部分-调和等能系统.
体节
前肾
腮
肩带 腮周侧翼组织 附肢
美西螈( 美西螈(Ambystoma maculatum)的预定前肢场 )
太平洋树蛙(Hyla regila)的早期后 肢场被许多寄生 的线虫卵分隔开, 形成多附肢的蝌 蚪,示附肢场的 调整能力.
2,附肢的早期发育
附肢早期发育的第一个迹象是体节中胚层细 胞沿胚胎长轴的增殖,逐渐在表皮的下面形 成厚的细胞团,它们从附肢场的侧板中胚层和 体节中胚层分离出来,进而转变为间质细胞 进行迁移. 附肢的发育开始于间质细胞从附肢的骨骼前 体细胞 (limb skeletal precursors)和附肢的肌肉 前体细胞 (limb muscle precursors)分离后的增 殖,这些细胞在内胚层组织下聚集并形成一 环状的突起,此突起称为肢芽.
如果AER在肢干发育的任何时期被移除,则 末端肢更进一步的骨骼发育将会停止
如果有过多的AER移植到一个已经存在的肢 芽上,会形成多余的构造,此构造通常接近 肢干的末端.
如果腿部的间质组织直接被置放在翅 膀的AER下,后肢的末端构造 (脚指) 会生长在翅膀的末端
如果在AER下的肢干间质组织被非肢 干的间质组织取代,那么AER会退化, 并且枝干的发育会停止
两栖类胚胎中附肢由中胚层起源的图解
轴上生肌节芽 生皮节 轴下生肌节芽
生肌节 生骨节
附肢芽肌肉前体 脊髓 脊索 前肾
内胚层
附肢芽骨骼前体
侧板中胚层
Induction of the early limb bud: Wnt proteins and fibroblast growth factors (FGFs) 肢芽形成的信号来自于侧板中胚层(lateral plate mesoderm) 细胞,这些细胞会分泌成纤 维生长因子FGF10,而FGF10能够促使外胚层 和中胚层之间分肢形成的交互作用. 当含有FGF10的小珠子被放置于侧翼内胚层 下方,会有额外的分肢形成.
FGF10原本分布于整个侧板中胚层,但是在 附肢形成之前,FGF10便被限制在侧板中胚 层将形成附肢的区域,FGF10被限制主要与 FGF10 Wnt proteins有关.
孵化48-54h鸡胚附肢芽开 始形成的分子模型
如图所示,一开始FGF10表现于整个 侧板中胚层,然后在后肢形成之处, 受到Wnt8c限制.而在前肢形成之处, Wnt8c 则受到Wnt2b限制.FGF10经由外胚 层的Wnt3a来诱发顶外胚层嵴 (AER) 中的FGF8表现,FGF8能诱导并维持 Wnt proteins表现,使得FGF10于侧 板中胚层内能连续性地表现.
孵化10天的完整鸡翅标本,示三个发育轴:近侧-远 侧轴,前后轴及背腹轴.
在所有的四足动物中,附肢发育的基本形 态发生原则(basic morphogenetic rules)是 相同的. 构建一个附肢所需要的位置信息要在一个 三维(或包括时间在内的四维)的,相互 协调的系统中发挥作用.现在已鉴定了一 系列蛋白,在附肢近远轴,前后轴和背腹 轴的形成过程中发挥作用.
AER与位 于其下的 中胚层的 相互作用
渐进带(PZ)在附肢发育中的作用
渐进带位于肢芽的顶端,由快速分裂和增值的未分 化细胞组成.顶外胚层嵴位于渐进带的上表面. 不同时期的ZP细胞的移植对附肢发育有着不同的影 响(见下图) AER 对下方的渐进带发出信号,如将AER移植到早 期肢芽的背部将诱导异位生长. The major signal is fibroblast growth factors, FGF-8 throughout ridge and FGF-4 in the posterior region.
间质细胞特化近间质细胞特化近-远轴的两种模式
Hox genes, meis genes, and the specification of the P/D axis 同源基因(homologous gene)在附肢发育中起 到重要作用,它可以用于解释附肢发育中的 所有主要现象.包括Hox genes决定附肢域 (limb field), Hox-D genes决定指的特化等.