Developmental Biology
第五章 四肢动物肢体的发育
Developmental Biology
肢体的三个轴线
肱骨
尺骨
桡骨
腕骨
Developmental Biology
脊椎动物肢体在
结构和发育上是
保守的。
Developmental Biology
一、肢芽的形成
肢体区 (limb field),由
有能力形成一个肢体的中
胚层细胞所组成的区域。
肢体区细胞的特点,可
调节性。
Developmental Biology
寄生虫卵在肢芽中
的繁殖导致多肢体
的形成。
Developmental Biology
肢芽在躯干上的形成部位可能
受视黄酸和 hox基因的控制
如多种动物的前肢芽都
出现于 Hoxc-6表达谱的
最前部边界，即第一胸
椎所处位置。
Developmental Biology
肢体细胞的来源
肌肉细胞前体,来源于体节的轴下生肌区；
骨细胞前体,侧板中胚层的体细胞区间质细胞。
肢芽的形成 受来自于中间中胚层 (intermediate mesoderm)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。
Developmental Biology
新的研究表明,侧板中胚层中 将要产生肢体间质
细胞的细胞分泌的 FGF10诱导了肢芽的形成。
Developmental Biology
顶端外胚层嵴 (apical ectodermal ridge,AER)的形成
AER,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
界处，是肢体生长的主要信号中
心。
AER的作用,
1,维持其内侧的间质细胞的增生
能力，使肢体沿 Proximal－
Distal轴线生长。
2,维持 A－ P轴线控制因子的表
达。
3,与控制 A－ P和 D－ V轴线的因
子互作，以指导细胞的分化。
Developmental BiologyAER的形成依赖于背部外胚层和腹部外胚层的互作
证据：①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 AER；② 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 AER,造成无肢体。
Developmental Biology
AER中 FGF8的表达是肢体生长所必需的
Developmental Biology
肢芽形成中的分子互作模型
Developmental Biology
AER在肢芽沿 P－ D轴线 生长 中 的作用
说明 AER是维持间质
细胞分裂、推动肢体
向外生长所必需的
说明 AER影响 A-P轴
线
说明间质细胞决定了
肢体的类型
说明间质细胞是维持
AER所必需的
二、肢体近－远端轴线的生成
Developmental Biology
AER维持间质细胞的分裂能力、防止其形成软骨：
去除 AER中将分化为脚趾间组织的细胞，将形成额外的脚趾。
Developmental Biology
鸡的两套趾症源于肢芽上有两个 AER
Developmental Biology
用鹌鹑的 AER取代无肢体鸡的 AER
可以导致正常的肢体发育
Developmental Biology
AER对 P－ D轴线 影响的
分子基础是 FGF因子
Developmental BiologyProgress Zone (PZ) 识别和决定 肢体的 P－ D轴生长程度
证 据 一
Progress
zone是指 AER内
保持了旺盛分裂
能力的间质细胞
区域。
不同时间离
开 progress zone
的细胞分化为不
同的软骨。证据
之一是，在不同
时间去除 AER，
所形成的肢体骨
不同。
Developmental Biology肢体的 P-D极性决定于 PZ而非 AER,证据二
老幼肢体 间 AER的互换
不会出现类似现象。
老幼肢体 间 PZ细胞 的
互换改变 P－ D极性。
Early bud PZ to late bud
Late bud PZ to early bud
Developmental Biology
间质细胞离开 PZ区的时间决定了其分化命运
Developmental Biology
利用突变体研究 AER和 PZ相互作用
Developmental Biology
Hox基因在决定肢体 P－ D轴线中的作用
Developmental Biology
Hox基因缺陷导致肢体相应部位的缺失
Developmental Biology
人的多指症也可能
与 Hox基因的异位表
达有关
Developmental Biology
蝾螈肢体的再生
两栖类动物肢体被截除后，
可以重新长出被截区的部分。
肢体切除后的 6－ 12小时
内，剩余部分的表皮细胞移
向窗口表面形成单细胞层表
皮，再通过细胞增殖形成顶
端外胚层帽 (apical ectodermal
cap),在随后的 4天中,顶端外
胚层帽下的骨细胞、软骨细
胞、成纤维细胞、肌细胞、
神经细胞发生去分化作用，
构成再生胚基 (regeneration
blastema),继续增殖、分化形
成肢体结构。
Developmental Biology
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
放的 GGF、
运 铁蛋白、
FGF2等可
能有助于细
胞的去分化
Developmental Biology
截肢位置信息的识别：
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
Developmental Biology
不同部位的再生胚基不同的重建位置信息
Developmental Biology
不同部位的再生胚基细胞表面的粘附特性不同 (远端
更强 )，这种粘附性质可能是 P－ D位置信息的一部分
Developmental Biology
Retinoic acid可以改变再生肢体的位置
信息，使胚基近端化 (proximalizing)
Developmental Biology三,肢体 A－ P轴线的确定
鸡的肢芽
尚未形成
之前，其 A
－ P和 D－
V轴线就已
经确定。
(移植的肢
芽的极性
不受受体
胚胎极性
的影响 )
Developmental Biology
极性决定区 (zone of polarizing
activity,ZPA)位于后部间质细胞区
Developmental Biology
将额外的 ZPA移植到肢芽的前端
可导致远端形成镜像对称结构
Developmental Biology
Sonic Hedgehog的表达部位与 ZPA吻合
Developmental Biology
Sonic Hedgehog具有 ZPA活性的实验证据
Developmental Biology
ZPA活性决定 A－ P轴线的信号传导机制
第二种模型的证据：
SHH可诱导 BMP2的产
生,BMP2再诱导其它
因子的合成。
Developmental Biology
SHH的下游基因是 Hoxd基因
Developmental Biology
AER中的信号分子对
于激活和维持 SHH的
表达起重要作用
AER中的 FGF8不能诱
导前部合成 SHH,可能
与 Hoxb8的表达有关
Developmental Biology四,肢体 D－ V轴线的确定
在背部外胚层特异性表达
的 Wnt-7a诱导背部间质细胞
合成转录因子 Lmx-1,后者
再控制肢芽背部特异性基因
的表达。 Lmx-1在背、腹间
质细胞中都表达，导致双被
部结构。
Engrailed在小鼠肢芽腹
部外胚层表达，其突变体的
肢芽腹部外胚层可表达 Wnt-
7a,从而形成双背部结构。
Developmental Biology
敲除 Wnt-7a的小鼠的脚掌有镜像对称的双腹部结构
敲除 Wnt-7a的小鼠的脚掌缺少 后 部趾，说明其也影响 A－ P极性
Developmental Biology
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,前肢和后肢发育机制有所不同
Developmental Biology
Tbx5和 Tbx4分别指定了 前肢芽和后肢芽的发育
人的 Holt-Oram Syndrome表现为心脏和手的畸
形，而脚是正常的，其 TBX5基因发生了突变
Developmental Biology
FGF诱导的肢体类
型决定于肢芽是表
达 Tbx5或 Tbx4
Developmental Biology
Tbx4的异位表达
可改变 FGF的 诱导
结果。
Developmental Biology六,细胞凋亡与趾的形成
两栖类动物的趾的形
成依赖于趾区和趾间
区生长速度的差异
Developmental Biology
决定细胞死亡的是间质细胞，
而不是外胚层细胞。
Developmental Biology
在早期肢芽中，
BMP2,BMP4、
BMP7在趾间组
织中表达,促进
趾间组织的凋亡，
趾区 表达的
noggin可 拮抗
BMP。
但在较后期的
肢体中,BMP促
进间质细胞分化
为软骨。
Developmental Biology
骨形成蛋白 BMP2,BMP7,GDF5在关节形成中的作用
在 noggin-/-小鼠胚胎中,BMP7使所有间质细胞转变为软骨细胞，
导致无趾关节；含 GDF5突变的人无趾关节,GDF5和 BMP2的作用
可能是杀死关节间的间质细胞或使其快速分化。
BMP7
BMP2
GDF5
Developmental Biology
七,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
Developmental Biology
在鱼鳍和鸡后肢中 Hox基因的表达谱相似
Developmental Biology
不同物种的肢体骨结构是相似的
Developmental Biology
决定肢体轴线的分子机制在不同物种上是保守的
Developmental Biology
THE END
第五章 四肢动物肢体的发育
Developmental Biology
肢体的三个轴线
肱骨
尺骨
桡骨
腕骨
Developmental Biology
脊椎动物肢体在
结构和发育上是
保守的。
Developmental Biology
一、肢芽的形成
肢体区 (limb field),由
有能力形成一个肢体的中
胚层细胞所组成的区域。
肢体区细胞的特点,可
调节性。
Developmental Biology
寄生虫卵在肢芽中
的繁殖导致多肢体
的形成。
Developmental Biology
肢芽在躯干上的形成部位可能
受视黄酸和 hox基因的控制
如多种动物的前肢芽都
出现于 Hoxc-6表达谱的
最前部边界，即第一胸
椎所处位置。
Developmental Biology
肢体细胞的来源
肌肉细胞前体,来源于体节的轴下生肌区；
骨细胞前体,侧板中胚层的体细胞区间质细胞。
肢芽的形成 受来自于中间中胚层 (intermediate mesoderm)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。
Developmental Biology
新的研究表明,侧板中胚层中 将要产生肢体间质
细胞的细胞分泌的 FGF10诱导了肢芽的形成。
Developmental Biology
顶端外胚层嵴 (apical ectodermal ridge,AER)的形成
AER,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
界处，是肢体生长的主要信号中
心。
AER的作用,
1,维持其内侧的间质细胞的增生
能力，使肢体沿 Proximal－
Distal轴线生长。
2,维持 A－ P轴线控制因子的表
达。
3,与控制 A－ P和 D－ V轴线的因
子互作，以指导细胞的分化。
Developmental BiologyAER的形成依赖于背部外胚层和腹部外胚层的互作
证据：①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 AER；② 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 AER,造成无肢体。
Developmental Biology
AER中 FGF8的表达是肢体生长所必需的
Developmental Biology
肢芽形成中的分子互作模型
Developmental Biology
AER在肢芽沿 P－ D轴线 生长 中 的作用
说明 AER是维持间质
细胞分裂、推动肢体
向外生长所必需的
说明 AER影响 A-P轴
线
说明间质细胞决定了
肢体的类型
说明间质细胞是维持
AER所必需的
二、肢体近－远端轴线的生成
Developmental Biology
AER维持间质细胞的分裂能力、防止其形成软骨：
去除 AER中将分化为脚趾间组织的细胞，将形成额外的脚趾。
Developmental Biology
鸡的两套趾症源于肢芽上有两个 AER
Developmental Biology
用鹌鹑的 AER取代无肢体鸡的 AER
可以导致正常的肢体发育
Developmental Biology
AER对 P－ D轴线 影响的
分子基础是 FGF因子
Developmental BiologyProgress Zone (PZ) 识别和决定 肢体的 P－ D轴生长程度
证 据 一
Progress
zone是指 AER内
保持了旺盛分裂
能力的间质细胞
区域。
不同时间离
开 progress zone
的细胞分化为不
同的软骨。证据
之一是，在不同
时间去除 AER，
所形成的肢体骨
不同。
Developmental Biology肢体的 P-D极性决定于 PZ而非 AER,证据二
老幼肢体 间 AER的互换
不会出现类似现象。
老幼肢体 间 PZ细胞 的
互换改变 P－ D极性。
Early bud PZ to late bud
Late bud PZ to early bud
Developmental Biology
间质细胞离开 PZ区的时间决定了其分化命运
Developmental Biology
利用突变体研究 AER和 PZ相互作用
Developmental Biology
Hox基因在决定肢体 P－ D轴线中的作用
Developmental Biology
Hox基因缺陷导致肢体相应部位的缺失
Developmental Biology
人的多指症也可能
与 Hox基因的异位表
达有关
Developmental Biology
蝾螈肢体的再生
两栖类动物肢体被截除后，
可以重新长出被截区的部分。
肢体切除后的 6－ 12小时
内，剩余部分的表皮细胞移
向窗口表面形成单细胞层表
皮，再通过细胞增殖形成顶
端外胚层帽 (apical ectodermal
cap),在随后的 4天中,顶端外
胚层帽下的骨细胞、软骨细
胞、成纤维细胞、肌细胞、
神经细胞发生去分化作用，
构成再生胚基 (regeneration
blastema),继续增殖、分化形
成肢体结构。
Developmental Biology
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
放的 GGF、
运 铁蛋白、
FGF2等可
能有助于细
胞的去分化
Developmental Biology
截肢位置信息的识别：
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
Developmental Biology
不同部位的再生胚基不同的重建位置信息
Developmental Biology
不同部位的再生胚基细胞表面的粘附特性不同 (远端
更强 )，这种粘附性质可能是 P－ D位置信息的一部分
Developmental Biology
Retinoic acid可以改变再生肢体的位置
信息，使胚基近端化 (proximalizing)
Developmental Biology三,肢体 A－ P轴线的确定
鸡的肢芽
尚未形成
之前，其 A
－ P和 D－
V轴线就已
经确定。
(移植的肢
芽的极性
不受受体
胚胎极性
的影响 )
Developmental Biology
极性决定区 (zone of polarizing
activity,ZPA)位于后部间质细胞区
Developmental Biology
将额外的 ZPA移植到肢芽的前端
可导致远端形成镜像对称结构
Developmental Biology
Sonic Hedgehog的表达部位与 ZPA吻合
Developmental Biology
Sonic Hedgehog具有 ZPA活性的实验证据
Developmental Biology
ZPA活性决定 A－ P轴线的信号传导机制
第二种模型的证据：
SHH可诱导 BMP2的产
生,BMP2再诱导其它
因子的合成。
Developmental Biology
SHH的下游基因是 Hoxd基因
Developmental Biology
AER中的信号分子对
于激活和维持 SHH的
表达起重要作用
AER中的 FGF8不能诱
导前部合成 SHH,可能
与 Hoxb8的表达有关
Developmental Biology四,肢体 D－ V轴线的确定
在背部外胚层特异性表达
的 Wnt-7a诱导背部间质细胞
合成转录因子 Lmx-1,后者
再控制肢芽背部特异性基因
的表达。 Lmx-1在背、腹间
质细胞中都表达，导致双被
部结构。
Engrailed在小鼠肢芽腹
部外胚层表达，其突变体的
肢芽腹部外胚层可表达 Wnt-
7a,从而形成双背部结构。
Developmental Biology
敲除 Wnt-7a的小鼠的脚掌有镜像对称的双腹部结构
敲除 Wnt-7a的小鼠的脚掌缺少 后 部趾，说明其也影响 A－ P极性
Developmental Biology
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,前肢和后肢发育机制有所不同
Developmental Biology
Tbx5和 Tbx4分别指定了 前肢芽和后肢芽的发育
人的 Holt-Oram Syndrome表现为心脏和手的畸
形，而脚是正常的，其 TBX5基因发生了突变
Developmental Biology
FGF诱导的肢体类
型决定于肢芽是表
达 Tbx5或 Tbx4
Developmental Biology
Tbx4的异位表达
可改变 FGF的 诱导
结果。
Developmental Biology六,细胞凋亡与趾的形成
两栖类动物的趾的形
成依赖于趾区和趾间
区生长速度的差异
Developmental Biology
决定细胞死亡的是间质细胞，
而不是外胚层细胞。
Developmental Biology
在早期肢芽中，
BMP2,BMP4、
BMP7在趾间组
织中表达,促进
趾间组织的凋亡，
趾区 表达的
noggin可 拮抗
BMP。
但在较后期的
肢体中,BMP促
进间质细胞分化
为软骨。
Developmental Biology
骨形成蛋白 BMP2,BMP7,GDF5在关节形成中的作用
在 noggin-/-小鼠胚胎中,BMP7使所有间质细胞转变为软骨细胞，
导致无趾关节；含 GDF5突变的人无趾关节,GDF5和 BMP2的作用
可能是杀死关节间的间质细胞或使其快速分化。
BMP7
BMP2
GDF5
Developmental Biology
七,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
Developmental Biology
在鱼鳍和鸡后肢中 Hox基因的表达谱相似
Developmental Biology
不同物种的肢体骨结构是相似的
Developmental Biology
决定肢体轴线的分子机制在不同物种上是保守的
Developmental Biology
THE END
