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1、5.4 脊椎动物肢体的发生脊椎动物肢体的发生第一节第一节 脊椎动物附肢的发育脊椎动物附肢的发育n脊椎动物的附肢是一个极其复杂的器官，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每一块骨和肌肉的位置都被精密地组织在一起。一起。附肢在三个基本轴上是不对称的，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但左前肢总是和右前肢呈镜面对称。n脊椎动物的附肢都是由体壁中胚层和外部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的表皮共同组成的。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。一、肢芽的形成一、肢芽的形成附肢场的形成：附肢场
2、的形成：Hox基因和视黄酸基因和视黄酸RAn脊椎动物的附肢在起源上是由胚胎体壁向脊椎动物的附肢在起源上是由胚胎体壁向外生长形成的外生长形成的，主要是由来自中胚层的疏，主要是由来自中胚层的疏松间质形成的松间质形成的中央核中央核，以及来自外胚层的，以及来自外胚层的表皮表皮两大部分组成。两大部分组成。n附肢的原基称为附肢芽（附肢的原基称为附肢芽（limb bud）。附。附肢芽形成的位置在每一物种是恒定的，由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。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n许多脊椎动物胚胎中的许多脊椎动
3、物胚胎中的预定附肢区预定附肢区（prospective limb area）已被定位。）已被定位。能形能形成一个附肢的所有细胞，称为附肢场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，包括位于中央的、产生附肢本身的中胚层细胞（附肢盘，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以及形成周围的躯干组织和肩带/腰带的细腰带的细胞。胞。n附肢场起初具有调节失去或增加部分附肢附肢场起初具有调节失去或增加部分附肢的能力的能力，附肢场中的每个细胞都能被指令，附肢场中的每个细胞都能被指令形成附肢的任意一部分。形成附肢的任意一部分。美西螈（美
4、西螈（Ambystoma maculatum）的预定前肢场）的预定前肢场二、附肢的早期发育1 附肢发育中外胚层和中胚层间的相互作用n附肢发育起始于肢场侧板中胚层（四肢骨的前体）和体节中胚层（四肢肌肉的前体）间质细胞的增殖。n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间质细胞团，可能与两对附肢形成的位置有关。n覆盖在间质细胞团表面的表皮变得稍微增厚，同时被包裹在内部的间质细胞团向外突出，形成肢芽（limb bud）。n肢芽形成的信号是由形成预定附肢间质细胞的侧板中胚层细胞提供的，这些细胞分泌的FGF8能够启动上皮和中胚层细胞之间的相互作用。含有FGF8的磁珠（bead）异位放置于上
5、皮下方，会诱导出额外的肢芽。 附肢的向外生长涉及AER和中胚层间持续的相互作用。n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。n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。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FGF8诱导了肢芽的形成。诱导了肢芽的形成。顶端外胚层嵴顶端外胚层嵴(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
6、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。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AP轴线控制因子的表轴线控制因子的表 达。达。3. 与控制与控制AP和和DV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。 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
7、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互作模型肢芽形成中的分子互作模型2.肢体近-远端发育的实现n主要是AER和肢芽间质细胞相互作用的结果。AER在在肢芽沿肢芽沿PD轴线轴线生长生长中中的作用的作用说明说明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
8、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所必需的所必需的二、肢体近远端轴线的生成二、肢体近远端轴线的生成n附肢发育中至少要求三种类型的外胚层和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中胚层间的相互作用：第一，中胚层起始：第一，中胚层起始附肢芽向外生长和形成附肢芽向外生长和形成AER；第二，；第二，AER进一步刺激肢芽的向外生长以及肢芽中胚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，附肢芽中胚层提层的增殖和分化；第三，附肢芽中胚层提供保持供保持AER所必须的刺激。所必须
9、的刺激。AER对对PD轴线轴线影响的影响的 分子基础是分子基础是FGF因子因子由同源基因决定前后轴和指的特性nHoxD基因家族（Hoxd-9到Hoxd13）的表达模式在小鼠附肢芽的后部边缘是重叠的。这意味着在后部边缘产生小指的细胞表达所有这些基因，而在前部边缘形成拇指的细胞只表达Hoxd-9。显然，在不同Hox-D基因的表达中存在一个编码特化前后指的模式。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三三、肢体、肢体AP轴线的确
10、定轴线的确定 鸡的肢芽尚未形成之前，其鸡的肢芽尚未形成之前，其AP和和DV轴线就已经轴线就已经确定。确定。(移植的肢芽的极性不受受体胚胎极性的影响移植的肢芽的极性不受受体胚胎极性的影响)n肢体前后方的决定来自于早期就存在于肢肢体前后方的决定来自于早期就存在于肢芽后侧的活性极化区（芽后侧的活性极化区（ZPA）。）。n已有的结果表明，已有的结果表明，Sonic hedgehog基因的基因的表达存在于表达存在于ZPA区域。区域。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Sonic Hedgehog的表达部位与的表达部位
11、与ZPA吻吻合合将额外的将额外的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4.背腹轴向上的决定n在鸡翅中，沿背腹轴有一很清晰的图式。背腹轴的组成部分是由早期鸡胚胎预定肢芽区域的外胚层决定，并在背腹轴之间发育形成顶外胚层嵴。n在突变小鼠中控制着脊椎动物肢的背腹轴的基因已经被确定。 Wnt-7a基因在肢背部中胚层图示形成中起到关键作用。外胚层控制发育中肢的背腹轴图式的形成。外胚层控制发育中肢的背腹轴图式的形成。Wnt-7a在背部外胚层中在背部外胚层中表达，而表达，而Engrailed基因在腹部外胚层中表达。基因在腹部外胚层中表达。lmx-1基因在背中
12、胚基因在背中胚层中被层中被Wnt-7a诱导表达，并且参与背部结构的确定。诱导表达，并且参与背部结构的确定。 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的小鼠的脚掌缺少的小鼠的脚掌缺少后后部趾，说明其也影响部趾，说明其也影响AP极性极性ZPA活性决定活性决定AP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。5.前后肢体的区分n近年来发现，鸡中Hoxc-4，Hoxc-5表达在翅芽中，Hoxc-9，Hoxc-10，
13、Hoxc-11表达在足中。n小鼠tbx5基因表达在前肢中，tbx4基因表达在后肢中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
14、Tbx4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。6、细胞死亡与指和关节的形成、细胞死亡与指和关节的形成n脊椎动物附肢中特定细胞的死亡是可遗传脊椎动物附肢中特定细胞的死亡是可遗传的的程序性细胞死亡程序性细胞死亡，是进化过程中经自然，是进化过程中经自然选择形成的。选择形成的。n细胞死亡在指细胞死亡在指/趾的成形过程中，特别是关趾的成形过程中，特别是关节形成和手指的分离中起着重要的作用。节形成和手指的分离中起着重要的作用。鸭胚和鸡胚后肢原基中细胞死亡模式的比较。鸭胚和鸡胚后肢原基中细胞死亡模式的比较。鸡胚趾间细胞的程序性死亡信号可能由鸡胚趾间细胞的程序性死亡信号可能由BMP发出
15、，封发出，封阻阻BMP的受体将会阻止这些细胞的程序性死亡。的受体将会阻止这些细胞的程序性死亡。noggin expressiondominant negative BMP receptorn在附肢的正常发育过程中，在附肢的正常发育过程中，BMP既可以诱既可以诱导间质细胞发生凋亡，也可以刺激它们分导间质细胞发生凋亡，也可以刺激它们分化为软骨形成细胞，这要取决于它们所处化为软骨形成细胞，这要取决于它们所处的发育阶段。的发育阶段。n在关节形成过程中，在关节形成过程中，BMP7可以促进软骨的可以促进软骨的形成，而形成，而BMP2和和GDF5在骨之间的位置表在骨之间的位置表达，促进关节的形成。达，促进关
16、节的形成。BMP蛋白可能参与了软骨的稳定和关节的形成过程。蛋白可能参与了软骨的稳定和关节的形成过程。鸡肢形成晚期，鸡肢形成晚期，BMP7（A）和）和BMP2（B）的表达。）的表达。Noggin蛋白的作用。蛋白的作用。C，16.5天正常小鼠前肢中天正常小鼠前肢中GDF5在关节形成处表达；在关节形成处表达； D，Noggin缺陷型突变体小鼠中缺陷型突变体小鼠中不表达不表达GDF5，也不形成关节。，也不形成关节。5.5 性腺的发育性腺的发育动物的性别决定模式动物的性别决定模式n1.通过遗传物质的分配来决定性别通过遗传物质的分配来决定性别n2.在同样的遗传背景下，由环境来决定性别在同样的遗传背景下，由
17、环境来决定性别类型。类型。n包括两个方面：包括两个方面：1.性腺的决定和发育性腺的决定和发育n 2.附属性器官、特征及性附属性器官、特征及性行为的建立。行为的建立。( (一一) )、哺乳动物的性别决、哺乳动物的性别决定定n关键的基因是由关键的基因是由X染色体上的染色体上的DAX1基因和基因和位于位于Y染色体上的染色体上的SPY基因。基因。1.哺乳动物的初级性别决定哺乳动物的初级性别决定n性腺发生的形态学变化性腺发生的形态学变化n哺乳动物首先经历了一个无性别发育阶段哺乳动物首先经历了一个无性别发育阶段（双潜能阶段），到第七周时在生殖嵴中（双潜能阶段），到第七周时在生殖嵴中的上皮细胞向内增值形成生
18、殖索，生殖干的上皮细胞向内增值形成生殖索，生殖干细胞迁移进入，产生性别的分化。细胞迁移进入，产生性别的分化。精巢发生的基因决定精巢发生的基因决定nSRY基因具有223个氨基酸残基，可能是基因转录调节因子。n含有一个高移动性的DNA结合区，与DNA结合后可以造成DNA链的弯曲变形。n是启动精巢发育的关键基因。SPY基因基因SOX9缺失会导致缺失会导致个体死亡个体死亡SF1其缺失会是小其缺失会是小鼠没有肾上腺，鼠没有肾上腺，精巢的发育也退化精巢的发育也退化卵巢发生的基因决定卵巢发生的基因决定nDAX1基因编码一种膜上的核激素受体成分，并初步基因编码一种膜上的核激素受体成分，并初步证实它特异表达于鼠
19、胚的生殖嵴中。证实它特异表达于鼠胚的生殖嵴中。nWNT4：是常染色体上的潜在的卵巢决定基因是常染色体上的潜在的卵巢决定基因。小鼠。小鼠Wnt 4在分化前的在分化前的XX和和XY生殖嵴中都表达，其后只在生殖嵴中都表达，其后只在XX生殖腺中表达。生殖腺中表达。n在在Wnt4-/-XX小鼠上，卵巢形成异常，其细胞表达小鼠上，卵巢形成异常，其细胞表达Amh和睾丸酮等睾丸特异性标记。和睾丸酮等睾丸特异性标记。nSry的作用可能是抑制生殖嵴中的作用可能是抑制生殖嵴中Wnt4的表达和促进的表达和促进Sf1的表达。的表达。2.哺乳动物的次级性别决定哺乳动物的次级性别决定n哺乳动物次级性别决定，包括性附属器官、
20、哺乳动物次级性别决定，包括性附属器官、副性特征、性行为等，发生于激素的作用。副性特征、性行为等，发生于激素的作用。n若生殖腺在分化前被去掉，个体的发育表若生殖腺在分化前被去掉，个体的发育表现出雌性的特征。现出雌性的特征。n如果雄性激素靶组织受体表达失败，也就如果雄性激素靶组织受体表达失败，也就会产生外表为雌性的雄性个体。会产生外表为雌性的雄性个体。n指睾丸或卵巢形成后，由它们分泌的激素来影响指睾丸或卵巢形成后，由它们分泌的激素来影响性器官的发育。性器官的发育。 在出现睾丸的胚胎中，中肾旁管在出现睾丸的胚胎中，中肾旁管(Mullerian duct)退化，而中肾管退化，而中肾管(Wolffian
21、 duct)分化为输分化为输精管、附睾、精囊。精管、附睾、精囊。n在出现卵巢的胚胎中，中肾管退化，中肾旁管分在出现卵巢的胚胎中，中肾管退化，中肾旁管分化为输卵管、子宫等。化为输卵管、子宫等。5.5.2 果蝇的性别决定果蝇的性别决定n果蝇的性腺发育和性别决定采取的也果蝇的性腺发育和性别决定采取的也是染色体分配的方式。是染色体分配的方式。n1.果蝇有常染色体和性染色体的区别，但是果蝇有常染色体和性染色体的区别，但是他的性别是由他的性别是由X染色体与常染色体的数量比染色体与常染色体的数量比来决定的。来决定的。n2.果蝇性腺不产生激素，不能进行次级性别果蝇性腺不产生激素，不能进行次级性别决定，而是身体
22、的相关部位根据自身的基决定，而是身体的相关部位根据自身的基因组型来作出性别决定，独立完成各自的因组型来作出性别决定，独立完成各自的副性特征的发育。副性特征的发育。果蝇性别决定的基因控制果蝇性别决定的基因控制n在果蝇的在果蝇的X染色体和常染色体中存在两套不染色体和常染色体中存在两套不同的基因。同的基因。X染色体上的为计数元素，常染染色体上的为计数元素，常染色体上为定名元素。他们的数量比能够决色体上为定名元素。他们的数量比能够决定其靶基因定其靶基因Sex-lethal基因的表达方式。基因的表达方式。5.5.3 线虫的性别决定线虫的性别决定n线虫有两种性别类型：一种是雄性，还有线虫有两种性别类型：一种是雄性，还有一种是雌雄同体。一种是雌雄同体。n雌雄同体的个体同时有精巢和卵巢，在幼雌雄同体的个体同时有精巢和卵巢，在幼虫阶段会产生精子并贮存于生殖管道之中，虫阶段会产生精子并贮存于生殖管道之中，到成体阶段开始产生卵细胞并在子宫中受到成体阶段开始产生卵细胞并在子宫中受精。精。n线虫的性别决定也是由线虫的性别决定也是由X染色体和常染色体染色体和常染色体的比例决定的。的比例决定的。XX型是雌雄同体，型是雌雄同体，X0是雄是雄性个体。性个体。n秀丽线虫的秀丽线虫的X染色体与常染色体分属于计数元素染色体与常染色体分属于计数元素和定名元素。和定名元素。nXol-1基因基因
