浅谈神经系统对断肢再生的调控.docx
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1、浅谈神经系统对断肢再生的调控两栖类动物蝾螈(salamanders)和蝌蚪期爪蛙(Xenopus),能够再生多种器官和组织,包括四肢、尾、心脏、颌骨、脑及视网膜,是脊椎动物中仅有的具有较强器官再生能力的物种1-2。断肢再生更是研究脊椎动物器官再生的理想模型。原因主要是,与常用的研究肢体发育的小鼠及鸡胚相比,体外发育的蝾螈和爪蛙四肢的构成相对较晚,因而合适断肢切除、组织与细胞移植等手术以及DNA电转等实验操作。几百年来,两栖动物的断肢再生一直具有谜一样的魅力,吸引着人们对其机制进行不懈的探索。哺乳动物包括人类是不能再生断肢的。但无论能否具有断肢再生能力,肢体离断后的早期愈伤经过是类似的1-3。在
2、肢体离断后,断端创面周围的表皮细胞快速增殖、迁移并覆盖于创伤外表,构成愈伤表皮(woundepidermis,WE)。愈伤表皮构成后,断肢能否再生取决于后续能否有顶外胚层帽(apicalepidermalcap,AEC)和再生芽基(regenerationblas-tema)的构成。在具有再生能力的动物中,愈伤表皮继续增殖增厚,构成具有多层细胞的AEC。AEC在形态和功能上类似于早期胚胎肢芽发育中的顶外胚层嵴(apicalectodermalridge,AER)4-6。正是在AEC所分泌的因子的影响下,断肢残端的组织前体细胞被调动活化,在断肢末端集聚构成具有快速增殖能力的细胞基团,即再生芽基。
3、再生芽基由具有特定分化潜能的前体细胞组成,与AEC之间有互相反应与调节作用(详见文献3)。而在不能再生断肢的动物中,断肢残端创面愈合后不能构成AEC,也不能构成再生芽基。因而,断肢再生是典型的依靠于芽基的割处再生(epimorphicregeneration)。再生芽基的构成机制自然是断肢再生研究的重点内容。有趣的是,即使是在同属于蝾螈亚目(Salaman-droidea)的两个常用断肢再生动物模型美西螈(墨西哥钝口螈,ambystomamexicanum,axolotl)与东美螈(绿红东美螈,Notophthalmusviridescens,newts)中,芽基的构成机制也不尽一样。芽基构成
4、的物种特异性主要体如今肌肉前体细胞的来源差异上,如美西螈肌肉前体细胞主要来自于表达Pax7的肌肉干细胞肌卫星细胞,而东美螈断肢肌肉再生的细胞主要来自于肌纤维的去分化7。甚至在东美螈的幼体和成体中,肌肉的再生机制也有很大的差异:幼体断肢肌肉再生主要依靠肌卫星细胞的活化,而成体肌肉再生则主要依靠于肌纤维的去分化8。因而,不同动物的断肢再生机制存在着物种特异性。当然,不同模型动物的断肢再生更有其共同的机制。现已证实,无论是斑马鱼、蝾螈还是哺乳动物,断肢再生芽基并不是由多能干细胞构成,而是由不同组织前体细胞构成的。这些前体细胞拥有一定的分化潜能,但其分化潜能局限于其在肢体发育时所属的胚层9-11。断肢
5、再生的另一个共性是神经组织对再生的重要作用12-13。这也是本文将主要讨论的内容。有关断肢再生中的细胞与分子机制,有兴趣的读者能够参考相关文献3,14-15。1器官再生多依靠于神经组织研究表明,神经组织对几乎所有已知的脊椎动物组织修复与器官再生现象都有重要作用16-22。哺乳动物,十分在出生前后,是拥有一定的再生能力的。例如,胚胎小鼠的表皮在创伤后能够实现无疤痕修复,但该再生现象依靠于皮肤外周神经组织16。出生7天内的小鼠的心肌在部分心尖切除术后能够大量进入细胞周期、增殖完成心脏再生,因而具有一定的心脏再生能力17。但新生小鼠的心脏再生能力在去除了支配心脏的迷走神经后则被抑制了18。另一个哺乳
6、动物再生现象是指尖再生。当损伤局限在甲基质(俗称“小太阳)远端时,人和小鼠的指尖是能够完全再生的。Rinkevich等19报导去神经后,小鼠趾尖再生会发生延迟或带有形态缺陷。Johnston等20的研究亦显示,终末分化的施旺细胞通过分泌oncostatinM及PDGF-AA来诱导再生芽基中的间充质细胞的增殖。因而,小鼠趾尖再生也是依靠神外周神经的。斑马鱼的背鳍在去神经支配后不能再生21。变态后的爪蛙前肢能够在截断后长出针尖样软骨构造,但去神经后爪蛙前肢则愈合为钝形残端,不能构成针状软骨22。这些例子充分讲明了神经支配对各种组织器官再生的重要性。人们对神经组织与器官再生了解最透彻的还是蝾螈的断肢
7、再生。2蝾螈断肢再生的神经依靠性早在1823年,Todd23具体报导了在蝾螈断肢再生的不同时间节点离断坐骨神经对再生的影响。Todd描绘到,假如在蝾螈肢体离断的同时将坐骨神经截断,断肢即不能再生(图1A);假如在断肢残端修复后(芽基构成前或芽基早期)去除坐骨神经,则再生要么不能发生,要么会发生严重的延迟;若在断肢再生已经起始或者已顺利进展(芽基中后期)后分离坐骨神经,则断肢要么发生生长停滞,要么只能再生缩小版的远端肢体(但肢体的前后轴仍能够正常构成)。因而,Todd的实验证实了神经对再生的重要性。但神经对断肢再生组织的重要性在此后很长一段并没有得到足够的重视(详见文献13)。到了1940195
8、0年,Singer等24-26通过一系列实验具体分析了蝾螈断肢再生中神经组织的重要作用。Singer的一个主要发现是,断肢再生中神经组织的类型并不重要,不管是触觉神经还是运动神经都能够调控断肢再生,但断肢再生依靠于在断肢残端有足够量的外周神经组织(即有一个神经阈值,nervethresh-old)。Singer27-28继而提出了神经营养因子(neuro-trophicfactors)的假讲来解释神经对断肢再生的作用(详见后文)。然而,并不是所有的蝾螈断肢再生情形都依靠于神经支配。1959年,Yntema29-30报导了肢体发育时从未受过神经支配的蝾螈肢体的断肢再生情况。Yntema在之前已通
9、过去除蝾螈早期神经胚的神经管并将无神经管的胚胎与正常胚胎联和,获得了无神经支配(aneurogenic)或者仅有很少神经支配的蝾螈肢体31-32。这种无神经肢体能够用来测试到底断肢再生需要多少神经组织,以检验Singer提出的神经阈值(nervethreshold)理论。无神经肢体再生研究的另外一个背景是,Polezajev33在1939年曾报导异位移植的蝌蚪早期肢芽(无或极少神经支配)具有断肢再生能力,提示其再生并不依靠神经的支配。利用无神经肢体模型,Yntema29-30发现,在肢体发育经过中未曾遭到神经支配的蝾螈肢体的断肢再生能力与正常神经支配的肢体一样,讲明其断肢再生是不需要神经的(图
10、1B)。Steen与Thornton34在1963年的实验也支持这一点。他们将无神经支配的远端肢体移植到正常神经支配的近端肢体构成嵌合体,然后考察断肢再生的情况(图1C)。结果发现,在移植后的一段时间内,当移植的供体肢体仍然处于无神经支配的状态时,断肢再生能够正常进行。然而,由于蝾螈能够再生肢体神经,受体蝾螈的肢神经(臂丛神经或坐骨神经)能够长入远端无神经肢体,对其进行神经支配。而这时候被重新支配的远端肢体的再生则依靠于神经组织的存在了,由于假如此时对嵌合的肢体去神经的话,断肢则不再生。有意思的是,再次处于无神经支配状态较长时间后,移植的远端肢体的断肢再生则部分摆脱了神经组织的控制。因而,断肢
11、再生能否依靠神经组织与肢体能否曾受神经支配有关;一旦肢体被神经支配过,则其再生即依靠于神经组织了。而长期处于无神经支配状态的肢体的断肢再生则“摆脱了对神经支配的依靠性。由于此现象类似于药物成瘾,因而,我们称之为断肢再生的“神经成瘾性依靠。3断肢再生中神经的作用如前所述,Singer27-28以为,断肢末端的外周神经组织通过分泌某种或某些神经营养因子(neuro-trophicfactors),促进芽基细胞的增殖。因而,这些因子具有丝裂原(mitogen)特征。如前所述,断肢再生依靠于AEC与再生芽基的构成及其互相作用3。大量实验表明,神经组织在断肢再生中的作用靶组织主要是再生芽基。首先,假如在
12、芽基构成后将断肢神经组织去除,则会导致芽基细胞有丝分裂的停滞35。体外培养的断肢芽基细胞只要在神经组织存在时才能有效地增殖36。这讲明,神经组织及其产生的因子是芽基细胞增殖所必需的。其次,假如在去神经的蝾螈断肢残端人为的添加外源(健康)神经组织,则能够有效地拯救再生芽基的生长37。近期,Satoh等38通过将爪蛙幼体的坐骨神经牵引到前肢,做成超神经支配的模型然后研究前肢再生的情形,发现超神经支配的爪蛙前肢的软骨生成得到了促进。这些证据都讲明,再生芽基是神经支配的靶组织。神经组织对AEC的作用则没有这么明晰。一方面,固然在创伤表皮中有大量的触觉神经纤维,AEC的构成对神经支配的依靠性却没有再生芽
13、基对神经支配的依靠性强烈。研究显示,去掉感觉神经并不影响AEC构成39-40。这可能与AEC的细胞来源相关。愈伤表皮(及AEC)细胞主要来自于断肢残端的上皮细胞的迁移及(一定量的)扩增,而再生芽基的构成需要前体细胞的大量扩增。另一方面,一些在愈伤表皮中上调的基因如dlx3(distal-lesshomeobox3)及sp9(sp9transcriptionfactor)的表达则在去神经后遭到抑制41-42,AEC产生与分泌丝裂原的能力也遭到去神经的影响3。因而,AEC可能间接受神经组织的调控。鉴于AEC与再生芽基的互相作用对断肢再生的重要性,我们以为,AEC至少在功能上是依靠于神经支配的,也是
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