附肢发育概述
核心内容概览
脊椎动物附肢发生是一个重要的器官发生和图式形成模型，涉及复杂的分子信号网络和细胞分化过程。
- 附肢发育：起源于附肢芽，由中胚层和表皮共同构成
- 三个轴线：前-后轴、背-腹轴、近-远轴
- 发育保守性：脊椎动物肢体在结构和发育上高度保守
- 再生能力：有尾两栖类具有显著的附肢再生能力
肢体的三个轴线
- 前-后轴 (Anterior-Posterior, A-P)：从拇指到小指的方向
- 背-腹轴 (Dorso-Ventral, D-V)：从手背到手掌的方向
- 近-远轴 (Proximal-Distal, P-D)：从肩部到指尖的方向
附肢轴线示意图
Fig. 10.2 The embryonic chick wing.
胚胎鸡翅的发育轴线示意
发育保守性
脊椎动物肢体在结构和发育上是保守的。鸡翅和小鼠前肢的发育过程表现出相似的软骨形成序列：
| 发育阶段 | 鸡翅 | 小鼠前肢 |
|---|---|---|
| 早期 | 4天 | 11天 |
| 肱骨形成 | 4.5天 | 11.5天 |
| 桡骨/尺骨形成 | 5.5天 | 13天 |
| 腕骨形成 | 6.5天 | 14天 |
| 指骨形成 | 8天 | 15天 |
附肢起源与发育
附肢芽的形成
- 定义：附肢原基，由侧板中胚层细胞快速分裂，突出体表而成
- 细胞来源：
- 外胚层：附肢皮肤
- 中胚层：骨骼、肌肉、结缔组织
- 肌肉细胞前体：来源于体节的轴下生肌区
- 骨细胞和结缔组织前体：侧板中胚层的体细胞区间质细胞
附肢芽形成示意图
Figure 16.3 Limb bud formation.
中胚层细胞增殖导致附肢芽向外突出
附肢位置的决定
- 附肢域 (Limb Field)：肢体原基产生前出现的特定区域
- 位置控制：受视黄酸和Hox基因的控制
- Hoxc-6基因：多种动物的前肢芽都出现于Hoxc-6表达谱的最前沿边界
实验发现： 寄生虫卵在肢芽中的繁殖导致多肢体蛙的形成，表明肢芽具有调节能力。
附肢轴线形成
近-远端轴线 (P-D轴)
- 渐进带 (Progress Zone, PZ)：AER下方的间质细胞区域
- 决定机制：
- AER维持渐进带间质细胞增殖
- 细胞在PZ中停留时间决定其分化命运
- 首先离开PZ的细胞→近端结构
- 最后离开PZ的细胞→远端结构
渐进带示意图
渐进带模型
细胞在渐进带中停留的时间决定了它们的分化命运
前-后轴线 (A-P轴)
- 极化活动区 (ZPA)：位于肢芽后部的一小团中胚层细胞
- Sonic hedgehog (Shh)：ZPA分泌的关键信号分子
- 两种模型：
- 形态发生子梯度模型
- 极性坐标模型
背-腹轴线 (D-V轴)
- 在附肢发育早期由中胚层和外胚层特化
- 关键分子：
- Wnt7a：在背部外胚层表达
- Lmx1：在背侧间质表达
- Engrailed：在腹部表达
分子调控机制
信号通路网络
附肢发育涉及复杂的信号通路网络：
FGF信号通路
- FGF10在侧板中胚层特定区域表达
- 诱导AER产生和分泌FGF8
- FGF8促进间质细胞增殖
- 诱导Sonic hedgehog (Shh)表达
Wnt信号通路
- Wnt蛋白稳定FGF10在特定区域表达
- Wnt7a在背部外胚层表达
- 诱导Lmx1基因激活，调控背侧细胞特化
Shh信号通路
- 由极化活动区(ZPA)分泌
- 建立前-后轴模式
- 诱导FGF4表达
- 与BMP信号相互作用
Hox基因的作用
- 位置决定：Hox蛋白设置附肢芽的位置
- P-D轴特化：Hox基因决定肢体近-远轴结构
- 基因缺失效应：
- 敲除 Hoxa-11 和 Hoxd-11：尺骨和桡骨缺失
- HOXD-13 突变：人类并指综合征
Hox基因表达示意图
Figure 16.15
Hox基因在四足动物肢体形成过程中的表达变化
组织类型建立
组织分化机制
- 骨形成：
- 间质细胞→软骨细胞→骨细胞
- 受软骨形成因子影响
- 肌肉形成：
- 成肌前体来源于体节
- 受血管层引导迁移
- 精确模式依赖于软骨模型
- 前/后肢特化：
- Tbx5：前肢中表达
- Tbx4：后肢中表达
细胞凋亡与形态形成
- 功能：形成指（趾）和尺桡骨的分割
- 关键区域：
- 指间坏死区
- 内部坏死区（产生尺、桡骨的分离）
- 前坏死区
- 后坏死区
- 调控分子：BMP2、BMP4、BMP7在趾间组织中表达，促进凋亡
细胞凋亡模式示意图
Figure 18.31
鸭和鸡胚腿原基中的细胞死亡模式
附肢进化
从鳍到肢的进化
- 泥盆纪的过渡：3.6—4亿年前，四肢动物的肢体近端结构与鱼鳍相似
- 关键变化：
- 近端元素：肱骨（stylopodium）、桡骨和尺骨（zeugopodium）
- 远端元素：指骨的发育
- 保守性：鱼鳍和鸡后肢中Hox基因的表达谱相似
鳍到肢的进化示意图
Fig. 15.4 The fin to limb transition.
泥盆纪鱼类鳍到四足动物肢体的过渡
分子机制的保守性
决定肢体轴线的分子机制在不同物种上是保守的：
| 信号分子 | 鸡翅 | 果蝇翅 |
|---|---|---|
| 背侧特化 | Wnt-7a, Lmx-1 | Wingless, Apterous |
| 后部特化 | Sonic hedgehog | Hedgehog |
| TGF-β家族 | BMP-2 | Decapentaplegic |
| 边界形成 | Fringe | Fringe |
附肢再生
再生过程
有尾两栖类（如蝶螈）具有显著的附肢再生能力：
- 创伤愈合：伤口愈合，形成顶表皮帽（1-2天）
- 组织破坏和去分化：内部组织溶解和去分化→间质细胞
- 再生芽基形成：间质细胞增殖形成再生芽基
- 形态发生和分化：骨、肌肉、血管和神经再生
蝶螈附肢再生过程
Fig. 13.12 Regeneration of the forelimb in the red-spotted newt.
蝶螈前肢再生过程
芽基细胞的来源
- 来源：断肢组织局部去分化和身体其它部位来的储备细胞
- X照射实验：形成芽基的细胞来自最核心点附近的一个狭窄区域
- 细胞命运：具有多能性，可分化为多种组织细胞
| 原始组织 | 去分化 | 芽基细胞 | 重新分化 |
|---|---|---|---|
| 肌肉组织 | 是 | 芽基再生细胞 | 肌细胞 |
| 结缔组织 | 是 | 芽基再生细胞 | 软骨细胞、骨细胞、肌细胞 |
| 多种组织 | 是 | 芽基再生细胞 | 结缔组织、软骨、骨、肌细胞 |
再生调控机制
表皮的作用
- 顶表皮帽对附肢再生是必需的
- 移植实验：
- 顶表皮帽移植到再生芽基基部→诱导超额附肢
- 断肢插入体腔（无表皮形成）→不能再生
- 表皮存在时DNA合成和有丝分裂水平显著提高
神经的作用
- 神经促进再生，提供神经营养因子
- 需要临界数目的神经纤维
- 关键因子：
- GGF（神经胶质生长因子）
- 运铁蛋白
- FGF2
- 神经影响仅限于起始再生阶段
位置信息识别
- 远端化规则：附肢再生总是形成断肢远端的部分
- 插入再生：失去的部分将被插入再生
- 遵循"插入规则"恢复角分量和半径分量
激素调控
- 关键激素：生长激素、催乳激素、甲状腺素
- 垂体切除时间：
- 断肢同时切除垂体→阻断再生
- 延迟13天切除→无影响
- 再生类型：
- 神经依赖性再生（正常肢体）
- 非神经依赖性再生（无神经肢体）