Abstract

人类骨骼发育

I. 前言

I.1 果蝇的发育基因

I.2 人类骨骼发育

II. 中轴骨骼

II.1 参与决定生骨节向软骨转化的信号分子

II.2 基因在椎段调控中的作用

III. 肢体的发育（附肢骨骼）

III.1 肢芽沿三轴分化

III.2 成纤维细胞生长因子(FGF)及其受体在肢体发育中的作用

III.3 Hox和BMP基因在肢芽发育中的作用

IV. 颅骨发育

IV.1 参与颅面发育的信号分子

V. 结论

Content

I. 前言

      在过去的10年中，我们对脊椎动物发育的遗传和分子控制的了解有了很大的提高，发现了控制无脊椎动物发育的分子过程在进化中是保守的，而且在脊椎动物中也发现了。在广泛差异的有机体中，重要的发育基因不仅在序列上相似，而且在分子功能上也相似，例如线虫、果蝇、小鼠和人。现在已经很清楚，表观遗传发育是由基因表达级联调控的。早期作用的调控基因启动发育过程并诱导其他下游基因的表达。

I.1 果蝇的发育基因

80年代初，对果蝇突变体的表型分析鉴定出50多种发育基因，可分为三大类:

1-作用于前后轴和背腹轴的极性基因，它们的突变导致整个胚胎的极性缺陷（例如:双尾）。

2-分段基因涉及14个节段（3个头段、3个胸段和9个腹段）的形成。这些合子活性基因被分为三类，即”间隙基因”、 ”配对规则基因”和”片段极性基因”。

3-同源异型基因控制着节段的一致性，形成了同源异型的HOM-C复合体，它由两个不同的簇组成: 双胸（BX-C）和控制触角的基因（ANT-C）。

I.2 人类骨骼发育

• 体节再分为三种中胚层原基:肌节、皮节和骨节。后者形成椎体和椎弓，并构成颅底。
• 肢芽产生在体侧的骨节水平上。
• 头的骨骼是由软骨颅（脑颅）和脏颅组成，软骨颅是膜起源的扁平骨，它覆盖着颅骨，脏颅支撑着咽弓。

      这里将描述经典胚胎学的起源于三种不同胚胎谱系的三种类型的骨骼成分，并将讨论参与调控骨骼形态发生的几个信号因子。

II.中轴骨发育

      骨节的腹侧部分包围着脊索，形成椎体的雏形。骨节的背侧部分包围着神经管并形成椎弓的雏形。

II.1参与决定骨节向软骨转化的信号分子

      体节亚单位的细胞分裂和分化受调控基因和生长因子的支配，这些调控基因和生长因子通过特异的诱导机制发挥作用。

      骨节诱导的主要信号似乎是一种被称为Sonic hedgehog(Shh)的脊索产生因子。Pax 1和Pax 9参与介导脊索和发育中的骨节之间的相互作用。

      两个基本的螺旋-环-螺旋转录因子Twist和Scleraxis也在骨节中表达。

II.2 Hox基因在椎段调控中的作用

      宫颈、胸椎、腰椎和骶椎的适当分化已被证实需要有顺序的Hox基因的表达。在人类中，Hox基因复合体与果蝇中的HOM-C复合体同源，由39个基因组成，分布在4个不同的染色体簇（A、B、C和D）中。根据蛋白质序列相似性将这些基因分为13个旁系同源基因家族，位于簇3'端的基因在胚胎发育过程中比5'端的基因表达早。尽管Hox基因之间似乎存在着广泛的功能重叠，但在小鼠中的突变诱导已经提供了关于它们作用的相关信息。Hoxc-8的无效突变导致第一腰椎转化为第14胸椎，第八根肋骨与胸骨相连。Hoxb-4、Hoxa-2和Hoxd-3等位基因的功能缺失也能诱导椎骨的转化，支持这种想法：Hox基因负责修饰一个共同的椎骨模块，从而定义每个椎骨的一致性。

III. 肢体的发育（附肢骨骼）

      侧板中胚层细胞（lateral plate mesoderm,LPM）和体节附近侧缘的细胞迁移到推定的肢体区。肢芽表现为从身体侧壁突出的小凸起。每个肢芽由外胚层冠覆盖的中胚层间充质核心组成。芽尖的外胚层增厚形成一种特化的结构，称为顶端外胚脊（apical ectodermal ridge，AER）。

      这一结构维持肢芽沿由近端到远端(P-D)轴(肩到手指）的连续长出。肢体沿P-D轴伸长的同时，沿背腹（D-V）轴（手背至手掌）变得扁平，沿前后（A-P）轴（拇指至小指）变得不对称。最近端的成分（stylopod）首先开始分化，接着是更远端结构的渐近分化（zeugopod and autopod）。这种结果和模式依赖于肢芽内三个信号中心的建立和维持:

1) 顶端外胚脊（apical ectodermal ridge，AER），在芽的远端边缘由前向后延伸的上皮；

2) 芽后缘间充质中的极性活性区（zone of polarizing activity,ZPA）；和

3) 芽的非脊状外胚层

III.1 肢芽沿三轴分化

      脊椎动物的肢芽沿近远端、背腹侧和头尾（前后）轴生长，并需要定位信号分子。

• 成纤维细胞生长因子(fibroblast growth factors,FGF）家族成员由AER细胞产生，起着沿P-D轴长出所需的脊状结构的作用。FGF信号是负责保持位于一个被称为进行区(progress zone)的潜在未分化间充质细胞，在一个未分化的，快速增殖阶段。
• Sonic Hedgehog（Shh）由ZPA产生，是调节沿A-P轴模式的极化活性的关键介质。
• D-V轴的特异性似乎是由En1（果蝇转录因子Engrailed的脊椎动物同源物）Wnt7a和Lmx1介导的。Wnt7a（果蝇wingless的一个同源物）通过其下游的靶基因Lmx1（一个Lim同源框基因，表达在潜在的间充质）发挥作用。这些不同的信号分子是相互依赖的。信号中心和它们产物之间的相互调节作用协同地调节和协调肢体沿着所有三个轴的长出和模式。

III. 2 成纤维细胞生长因子（FGF）及其受体在肢体发育中的作用

      FGF家族至少由24个成员组成。这24种不同基因编码的蛋白质的长度是可变的(155-268个氨基酸），并且包含一个保守的约120个氨基酸的核心序列，该序列提供了结合肝素或硫酸乙酰肝素蛋白聚糖的能力(HSPG）。分泌的FGF能够与位于细胞表面的低亲和力受体（HSPG），例如多配体聚糖、磷脂酰肌醇聚糖和基底膜聚糖结合，这限制了它们向细胞外扩散的能力。分泌的FGF也可以结合高亲和力受体，成纤维细胞生长因子受体(FGFRs)，其形成一个由4种跨膜蛋白酪氨酸激酶组成的家族。FGF与FGFR单体结合后诱导受体二聚化，激活受体的酪氨酸激酶活性，从而启动信号转导。在肢芽起始过程中至少有5种FGF（FGF2、FGF4、FGF8、FGF9和FGF10）和2种FGFR（FGFR1和FGFR2）表达。

      在AER中产生的FGFs至少有两个主要功能。

• 一种是刺激进行区的细胞增殖，因为它们对肢芽间充质有促有丝分裂活性，从而产生肢体长出所需的新细胞。
• FGFs的另一个功能是维持ZPA中Shh的表达。FGF4，虽然不是诱导Shh表达必须的，但主要负责在肢体延长时维持其表达。FGF4与Shh之间的调节作用可能是相互的，ZPA产生的Shh诱导并维持AER中FGF4的表达。FGF4和Shh之间的正反馈环可能是协调调节肢体长出和模式的机制之一，尽管别的分子例如Wnt7a可能在调节Shh的表达中发挥作用。

       AER的FGF信号的靶点之一是FGF 10，它在远端肢芽间充质中表达。该因子能与FGF8相互作用，两者之间可能存在正反馈循环。这种相互调节很可能是由FGFR2的两种异构体介导的，FGFR2b（专门结合FGF10）和FGFR2c（结合FGF8）。最近提出一个模型，在肢体区间质中产生的FGF 10扩散到外胚层，在外胚层中与FGFR2b结合并诱导FGF 8。FGF8进而扩散到中胚层，激活FGFR2c，引起FGF10的上调。然后，FGF10继续循环并导致肢芽的诱导。

      因此，FGFR2似乎对肢芽的起始是必需的，而FGFR1似乎在肢体发育的几个阶段起必要的作用。这一论断是基于对小鼠模型和表达模式的研究，揭示了FGFR1在P-D轴形成中的重要作用。FGFR1介导的信号是维持ZPA和进行区活性所必需的。

III. 3 Hox和BMP基因在肢芽发育中的作用

       一些FGF与Shh联合作用可影响骨形态发生蛋白(Bmp-2和7）和Hox基因的表达，主要是Hoxd-12和Hoxd-13。后者是Hoxd复合体的成员，在远端手腕（Hoxd 12）以及在手和手指（Hoxd 12和13）中表达。Hoxd13基因在肢段的近远端分化中的作用已被人类基因突变将掌骨转化为腕骨和将跖骨转化为跗骨所证实。

      根据一种叫做软骨内成骨的过程，肢体的骨骼成分由沿着肢芽长轴出现的柱状中胚层凝聚物发育而来。间充质细胞聚集形成软骨前体细胞。在生长因子的作用下，软骨前体细胞分化为软骨细胞，并分泌具有细胞外基质特性的分子，如II型胶原和聚集蛋白聚糖（大量的蛋白聚糖）。软骨化的最初阶段是形成软骨膜。这种软骨膜中BMP 2，4和7以及甲状旁腺激素/甲状旁腺激素相关肽受体（PTH/PTHrPR）的表达，抑制软骨细胞的增殖和成熟，从而有助于控制软骨成分的生长和分化。

      随着软骨成分的生长，不同的区域可以通过软骨细胞的渐进分化来区分。

• 成分末端的细胞是不成熟的，并经历快速增殖。
• 增殖区附近是较大且分布更稀疏的前肥大软骨细胞，它们表达Indian hedgehog(Ihh)、PTH/PTHrPR、BMP6和BMP受体IA（BMPRIA）。
• 终末分化的肥大细胞表达一种独特形式的胶原，即X型胶原，最终发生程序性细胞死亡并被成骨细胞取代。

      软骨生长缺陷发生在一系列的疾病中，称为软骨发育不良，通常导致不同严重程度的侏儒症。这些疾病中最常见的是软骨发育不全，这是一种显性遗传病，由FGFR3跨膜区域的反复激活突变引起，影响软骨细胞的增殖和分化。

IV.颅骨发育

人类的头部骨骼是由软骨颅（脑颅）、膜骨和脏颅组成。

• 软骨颅主要由神经嵴细胞形成，神经嵴细胞从背神经管移出，形成颅底骨。这些骨预先形成软骨，并通过上述软骨内成骨过程而骨化。
• 覆盖颅骨的膜骨是扁平骨。
• 脏颅由五对咽弓组成，在咽的两侧形成头尾向连续。这些成分是从咽弓软骨进化而来的，咽弓软骨是由每个咽弓内的间充质凝缩而成，由神经嵴衍生的外胚层间充质组成。

IV.1 参与颅面发育的信号分子

       咽弓的骨骼成分来源于神经嵴和侧板中胚层。咽弓的适当发育依赖于Hox基因的表达。Hoxa-2基因的失活导致第二咽弓被一组复制的邻近第一咽弓成分所取代。因此，Hoxa-2通常只允许软骨内骨化发生在第二弓，然而软骨内骨化和膜骨化都发生在第一弓。其他的一些因子也参与了咽弓的分化，包括Prx1和2（两个密切相关的成对同源异型盒基因）和Dlx家族的同源结构域蛋白（Dlx 1、2、3、5和6）。Dlx基因可以决定咽弓外胚间充质区域的命运。缺乏Dlx 5 的小鼠表现出颅盖骨延迟骨化的颅面异常，提示该基因在鳃弓（咽弓）中的多种作用。

       调节颅盖骨生长和颅缝形态发生的信号通路也开始被阐明。它们涉及不同的转录因子，包括MSX1和2（两个Msh样同源盒基因）、Shh、BMPs（BMP2和4）、TGF和Twist，还包括酪氨酸激酶受体FGFRs及其配体FGFs。

      FGF/FGFR信号在人类颅骨发育中的重要性已被证实，骨缝过早融合产生的颅缝早闭（Apert，Crouzon和Pfeiffer综合症是最常见的）常常是由FGFR基因突变引起的。大多数突变是在FGFR2上发现的，占大多数但不是全部的Apert和Crouzon综合症。FGFR1和FGFR3的突变已在一些颅缝早闭综合症病例（Pfeiffer和Muenke综合症）中被发现。这些突变大多会诱导受体的配体非依赖性激活，但也可能改变配体特异性。因此，FGFR似乎在胎儿冠状缝成骨干细胞的增殖和分化中起着关键作用。FGFR2在增殖细胞中表达，而在分化开始时伴随着FGFR1的上调。颅缝早闭也可由MSX2基因突变引起。MSX1和MSX2在缝间充质中均有表达，并受BMP4的诱导。与FGFR2（IIIb）基因亚型缺陷的小鼠相似，Msx 1基因缺陷与下颌骨缺损有关，而MSX2基因缺陷则导致额骨中央缺损。因此，正确的Msx 2剂量对于哺乳动物颅骨的正常成骨分化好像是至关重要的。总之，包括BMPs、Msx和FGF/FGFRs在内的保守的信号通路在缝形态发生和颅盖骨的膜内骨形成过程中调节组织间的相互作用。FGFRs在颅缝早闭和肢体畸形（软骨发育不全、致死性骨发育不良）中的作用支持了颅面和肢体发育利用共同的信号通路的观点，但在人类中，这些信号通路仍有待阐明。

V.结论

       肢体发育作为形态发生研究的最佳模型之一，近年来在认识肢体发育方面取得了很大的进展。然而，受Hox基因调控的影响骨骼成分生长和模式的特定靶基因仍然未知。最近的证据表明，分泌的信号分子（FGFs，BMPs，Wnts，Shh）通过在其应答细胞中诱导拮抗剂来限制它们自身的活性，这提供了重要的线索。因此，Shh/FGF环的激活可能是由于相继表达的远端Hox蛋白与Meis-Pbx复合物竞争性组合关联的结果。在未来的几年中，包括手术操作、异位表达研究以及靶向基因破坏在内的补充方法将为骨骼发育的机制提供新的见解。