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骨的结构、组成.发育与QCT骨密度检测体模软件系统仪测量方法05

2019-3-21 15:50:16      点击:

骨的发育(Skeletal development)

骨组织的发育伴随着机体其他组织、器官的发育,是 受精卵的基因依严格的时空程序表达的过程。相关细胞 的分化特征和空间位罝、激索和细胞因子等多种因素的 调控在发宵过程中发挥着重要作用,分子生物学和发育 生物学的进展使我们对骨的发食有了较深的认识,但其 详细机制尚未阐明。

胚胎发育的第3周末,内、中、外三个胚层先后形成, 第4周至第8周末,三个胚层分化并形成各种组织和器 官的原基。骨源于中胚层和外胚层神经嵴细胞远距离迁 移至头部并将分化为头面骨的中外胚层(mesoectoderm)。 中胚层在脊索两侧从内向外依次分化为轴旁中胚层(pa­raxial mesoderm) 、 间介 中胚层 ( intermediate mesoderm) 和 例中胚层(lateral mesoderm)〇轴旁中胚层节段性增生, 形成位于中轴线两側的分节状细胞块即体节(somite)。 体节左右成对,从颈部向尾部依次形成,共约42〜44对。 体节的横断面为三角形,中央为一裂隙称体节腔。腔的 内倒壁和腹倒壁称巩节(sclerotome),又称生骨节,将分化 为中轴骨的脊柱、肋骨等。侧中胚层由于胚内体腔的出 现而分成两层:紧邻内胚层的脏壁中胚层和紧貼外胚层 的体壁中胚层(somatic mesoderm)。体壁中胚层在胚胎 第4周末,胚体左、右外侧壁上先后出现两对小隆起,由 深部的中胚层芯(mesoderma丨core)和表面的外胚层帽 (ectodermal cap)构成,即肢芽(limb bud),分别称上肢芽 和下肢芽。肢芽逐渐增长变粗,先后出现两个缩窄环,将 每个肢芽分为3段,上肢芽将发育为上臂、前臂和手,下肢芽将发育为大腿、小腿和足。手和足初为扁平板状,称 手板和足板。其后,手板和足板的远端出现5条放射状 增厚区,称指(趾)放线(digita丨ray),大约在胚胎第7〜8 周,指(趾)放线间组织通过凋亡而退化消失,游离的手指 和足趾形成。

骨组织发育过程中,胚胎细胞如何在特定的时间分 化为特定类型的细胞、到达特定的正确位置,形成不间部 位的不同结构等调控机制悬而未决。近来利用果蝇和鸡 胚的研究开始揭示其中的奥秘,尤其是肢体发育的分子 调控机制研究成绩斐然。

骨发育形成过程中观察到四个基本过程:

1.细胞移动(cellular migration) 指形成骨的胚胎 细胞移向骨形成区域。

2•细胞分化(cellu丨ar differentiation)指细胞定向分 化,合成标志性的特殊蛋白、碳水化合物和脂类.构成骨 或软骨的成分。

3.      图式形成(pattern formation) 指构成骨的各种 细胞和组织的时空构筑方式,此乃形态发生的基础。

4.      反馈能力的获取和建立,使相关组织和结构整合 为有机体。

每一过程涉及到严格的复杂的而又精细的分子调 控。任一环节出现异常,均可导致骨的发育异常。

肢体发育过程中,肢芽形成后不久,其顶端外胚层细 胞增殖形成一审要的嵴状结构,即外胚层顶嵴Upical ec­todermal ridge,AER)。 肢芽尾侧缘区由于其不仅能诱导 指(趾)的发生,ft还决定各种指(趾)排列顺序,故称为极 化活性区(zone of polarzing activity,ZPA)。鸡胚发育的研 究证实,位于AER和ZPA的一群细胞控制若肢体发 育1173

肢芽由中胚层芯和外胚层相共同构成,这两种成分 作用如何一直是人们关注的课题。鸡胚移植实验证明, 两者存在相互诱导关系。若把中胚层芯移棺到胚体非肢 芽发生区的外胚层下,也会形成AER,进而额外肢形成, 表明肢芽中胚层既诱导AER的形成,也决定肢体的形态 发育。另一方面,AER对肢芽的持续生长和分化至关重 要,若由非肢芽外胚层取代AER,则肢芽生长停止,表明 外胚S对中胚层诱导的应答是肢芽形成的重要因索,中 胚层和外胚层的相互作用为肢体的发育形成奠定了 基础。

对肢体发眘过程中起重要作用的调控基因为同源异 费框基因(homobox gene),简称Hox基因•。在哺乳动 物中,38个Hox基因分成四绀,分别定位于4条染色体 上,称为Hoxa、Hoxb、Hoxc和Hoxd。每个Hox蛋白含有 60个氣基酸的同源结构域(homeo domain),耐与DNA中 商于A/T的K域紧密结合,从而起转录调节作用。Hox 基因从3’到5’末端颀序表达,3’基因表达于前部结构, 5’基因表达于后部结构,此关联被称为“线性对应”(〇〇- lincarity),乃前后轴分化的重要调控机制,与上、下肢各 节段内骨的发生密切相关。在小氣,Hoxc - 8、Hoxb ~ 4、 Hoxa- 2、Hoxd〜3或Hoxd -13的突变引起中轴骨前部

的转形变异。Hoxa-1和Hoxa-3的突变影响颅和基质 神经嵴的发育致后脑分节变异…、Hoxd-6的过表达 产生鸡翼的多翅琦形。Hoxa- 11和Hoxd- 11的完全 缺失或剔除(gene knockout)致小鼠尺、烧骨缺失。人 Hoxd-13的突变表现为掌骨和跖骨发育不全h9)

Hox基因的相关调控基因逐渐被认识,混合谱系白 血病基因(mixed lineage 丨eukemia,MLL)的表达为 Hoxa- 7和Hoxc-9表达所必黹,其缺乏导致中轴#和胸骨畸 形。Hoxl>-2的表达受Krox-20的调控。CDxl基因由 于同脒東组失活后抑制了 Hoxa-7的表达。Hox基因的 另一个上渊基因为bmi-1,缺失可引起中轴骨后部的变 异,而过表达却产生相反的表型[201

非Hox四群所需的其他Hox基闪也显示出对骨发 t的影响^ msx-2基因的突变可导致颅缝早闭。MHox 基因缺失致小鼠颅面骨和肢体的短小。

维甲酸(retinoic acid,RA>的致畸作用在20世纪70 年代就Q披露,其可使肢体和血小板发育出现异常,近年 已识别出RA的反应成分即Hoxb-l。鸡胚肢芽尾側缘 和头侧缘RA浓度不同,而细胞质RA结合蛋白则呈现头 侧缘高、尾侧缘低的浓度梯度,与RA浓度正相反。由此 认为RA可能就是由ZPA产生的的形态发生素,但RA 缺失的鹌鹑其原结仍可在肢芽头侧缘诱导额外趾的发 生。RA与Hox基W在肢体发育中的作用仍需进一步 研究。

近年来,分节极性基因Hedgehog所编码的蛋白在胚 胎发拜和器官形成中,尤其是在胚胎体节发育和肢芽图 式形成中的作用使人们对骨和软骨的发育和形成有了史 深人的f解。

Hedgehog因突变的果蝇胚胎呈多毛团状,形似受惊 的剌猬而命名。首先于20世纪90年代后期在果蜗的研 究中被发现,后证实也存在于鸟类、哺乳类动物及人的胚 胎中^1。高等脊椎动物中,Hedgehog基因家族含有 SHH( sonic hedgehog)、IHH(indian hedgehog〉和 Dhh (desert hedgehog)三种成分f22i,其命名分别依据电子游戏 中的角色和剌猬的两个种属。其中SHH基因编码的蛋 白是与ZPA极化功能相关的形态发生素(morphogen),由 ZPA中的细胞产生。人类Shh基因及相关的Hox、Pax、 BMPs、FGFs和GU基因相互作用,共同调控肢芽的发育, 突变则可造成多种先天畸形,如多指(趾)崎形、脊柱缺 如、端骨部分缺如及前脑无裂畸形等[231。IHH基因编码 的蛋白主要来源于生长板中软骨细胞,主要调控软骨的 形成,也可诱导原始间充质细胞核心结合因子(cbfal)表 达,促进其向成骨细胞分化,骨领形成Dhh基因编 码的蛋白目前认为是睾丸发育所必须。Hedgehog的信 号传递涉及到靶细胞膜上的受体和多种胞浆蛋白。如由 肿瘤抑制基因PatchecKPtc)编码的、由几个跨膜区的单 肽链构成的受体对Hedgehog信号起负调控作用,Ptc突 变可引起钟胳发育小良。由癌基因Smo〇thcncd〈Smo)编 码的、由7个跨膜区的单肽链构成的受体,其活性取决于 Smo对Hedgehog的反应。正常情况下,Ptc抑制Smo的

活性,Hedgehog与Ptc结合后,则解除Ptc对Smo的抑制 作用,引发一系列反应。Smo突变时可发现与hedgehog 突变相同的表征。参与Hedgehog信号传导的胞浆蛋白 正在逐渐阐明,包括起正调控作用的转录因子Ci/Gli和 丝氨酸/苏氨酸蛋d激酶等,起负调控作用的类运动蛋白 Costa丨-2(Cos-2)和蛋白激酶 A(PKA)*[25:

AER 可表达 FGFs,包括 FGF-2、FGF - 4 和 FGF8 等,与ZPA中的细胞相互作用,维持Shh的表达。同时, Shh刺潋AER细胞.维持FGFs的相对浓度。

不仅FGFs,维持Shh在ZPA中的表达,还笫Wm家 族的Wm_7a,其在肢芽背側外胚层表达,如将背惻外胚 层切除,可致肢芽尾侧骨缺失,若手术后补充外源性Shh 则可避免骨缺失。如将背侧外胚层和AER同时切除,: 同时给Wnt-7a和FGF4才可保证Shhm新衣达。由此 提示,Wnt-7a和FGF4可能共同维持Shh在ZPA中的 表达^1

同Shh/Ihh密切相关的还有BMPs和PTHrP等相关 成分。脊椎动物中,表达Shh的细胞附近可见BIVIP2的 表达,在含有表达丨hh细胞的软骨痂中,大!i的软骨细胞 表达BMP2和BMP4,但两者协同作用和调控机制仍末 阐明。目前认为,Shh可能为成骨的启动因岽,而BMPs 可能为诱导剂,两者相百.作用,通过我们尚不淸晰的功能 粮合和相互调节促进骨组织发育:2$1。Ihh与PTHrP及 其受体PPR之间也如此,活化丨hh可上调PTHrP的表达 水平,从而阻滞正常基因型个体软骨细胞分化为肥大软 骨细胞,表明Ihh在软#细胞分化的过稈中起重要的调 控作用[27]

由此上述,在肢体发育过程中,AER和ZPA之间的 相互调控发挥着茧要的作用,涉&aHedgch〇g、Hox、FG- Fs、R A、Wnt - 7a、BMPs和PTHrP等多个基因参与的复 杂分子机制。其相互作用的详细机制还有待于我们进一 步研究阐明。

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