肺系統(tǒng)的發(fā)育遺傳學(xué)

1、1,肺系統(tǒng)的發(fā)育遺傳學(xué)（上）,指導(dǎo)老師：王玉鳳 主講人：柯其昌,Developmental Genetics of the Pulmonary System,2,一、研究背景二、Lung specification and symmetry（肺的特化和對稱性）三、Branching morphogenesis（分枝的形態(tài)發(fā)生）四、Sacculation and epithelial cell differentiati

2、on（囊形成和上皮細(xì)胞的分化）五、Mesenchymal differentiation and vascular development(肺間質(zhì)的分化與血管發(fā)育)六、Secondary crest elongation and alveogenesis（第二嵴的延伸與肺泡化）七、Transition to air breathing（過渡到空氣呼吸）,內(nèi)容簡介,3,肺的結(jié)構(gòu)與功能淺析 肺是高等動(dòng)物進(jìn)行呼吸作用的器官。

3、由大量的氣管，有氣體交換功能的肺泡以及肺間質(zhì)構(gòu)成。 人的支氣管（第1級(jí)）至肺泡約有24級(jí)分支。支氣管經(jīng)肺門入肺，分為葉支氣管（第2級(jí)）。葉支氣管經(jīng)數(shù)十次分支為終末細(xì)支氣管（第14～16級(jí)）。從葉支氣管至終末細(xì)支氣管為肺內(nèi)的導(dǎo)氣部，是空氣進(jìn)入肺到達(dá)氣體交換部位的同道。終末細(xì)支氣管以下的分支為肺的呼吸部，包括呼吸細(xì)支氣管（第17～19級(jí)）、肺泡管（第20～22級(jí)）、肺泡囊（第23級(jí)）和肺泡（第24級(jí)），是肺行使氣體交換功能的場

4、所。 肺表面覆以漿膜（胸膜臟層），表面為間皮，深部為結(jié)締組織。肺組織分實(shí)質(zhì)和間質(zhì)兩部分，實(shí)質(zhì)即肺內(nèi)支氣管的各級(jí)分支及其終端的大量肺泡，間質(zhì)為結(jié)締組織及血管、淋巴管和神經(jīng)等。,一、研究背景,4,哺乳動(dòng)物的肺是作為腹側(cè)前腸內(nèi)胚層的側(cè)芽（lateral bud）發(fā)育而來的，它位于發(fā)育中的肝臟和胸腺之間。肺的發(fā)育在人類中起始于懷孕期第5周，在小鼠中起始于懷孕期第9天，而且它被認(rèn)為經(jīng)歷了四個(gè)不連續(xù)的、隨后的階段：pseudoglan

5、dular（假腺期）, canalicular（小管期）, saccular（囊狀期）以及 alveolar（肺泡期）。見下圖：,,,FIGURE 41.1 A timeline for human lung development. Mammalian lung development occurs in discrete morphologic stages. The name and timing of the individua

6、l stages are shown, along with a general description of the cellular and molecular processes that occur during the different stages.,動(dòng)物肺發(fā)育的四階段,5,山羊胎兒肺的發(fā)育分為 5個(gè)時(shí)期：①胚胎期（3-5周）：肺芽分支形成主支氣管,主支氣管長度不斷增長并萌芽出葉支氣管。②腺狀期（6-12周）：以

7、支氣管樹發(fā)育為主；終蕾呈腺狀，終蕾上皮細(xì)胞游離面可見短小的微絨毛；線粒體、 粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)及核糖體隨著胎齡增加而逐漸增多，它們均位于細(xì)胞頂部。,6,③小管期（13-14周）：以呼吸部發(fā)育為主，原始肺泡開始形成；終蕾腺狀結(jié)構(gòu)逐漸消失，終蕾上皮細(xì)胞由高矮不等的單層柱狀上皮逐漸演變?yōu)榱⒎叫蔚脑挤闻萆掀?；④囊狀?第15周)：呼吸部發(fā)育顯著，肺內(nèi)細(xì)支氣管及其末端呈現(xiàn)出“充氣”狀態(tài)；部分原始肺泡上皮細(xì)胞分化為扁平的肺泡Ⅰ型細(xì)胞和立方形的肺泡Ⅱ型

8、細(xì)胞；Ⅱ型細(xì)胞內(nèi)出現(xiàn)嗜鋨小體。⑤肺泡期(16-22周)：以肺泡的形成和分化為主,更多的肺泡上皮分化為扁平的肺泡Ⅰ型細(xì)胞和立方形的肺泡Ⅱ型細(xì)胞。,7,這些階段是從形態(tài)學(xué)上確定的，而且每個(gè)階段具有結(jié)構(gòu)上、細(xì)胞上和調(diào)控上不同的特征。人類中在肺發(fā)育起始的前30周內(nèi)，側(cè)芽長成分支的管狀結(jié)構(gòu)，這表明一種由導(dǎo)氣管（conducting airways）組成的腺體產(chǎn)生了。直到人類懷孕期第36周或小鼠出生后第4天，這些導(dǎo)管以不能進(jìn)行有效氣體交換的囊結(jié)

9、尾。由于肺的未成熟在此時(shí)或之前出生的個(gè)體會(huì)具有增加的發(fā)病率和死亡率。在懷孕期的最后幾周和出生后的最初幾年，這些原始的囊（sacs）經(jīng)歷了一個(gè)形態(tài)學(xué)的過程而發(fā)育成為成熟的肺泡（mature alveoli）。此過程由于側(cè)芽的形成和延伸或囊外面伸出的脊而導(dǎo)致肺表面積的大幅度增加。,8,多數(shù)的成人肺疾病涉及到了肺泡腔（alveolar space）的破壞。因此，對肺發(fā)育調(diào)控的透徹理解，包括肺泡的形成和維護(hù)，能夠鑒別出一種方法來促進(jìn)肺成熟

10、及支持肺功能的再生。在嚙齒類動(dòng)物中，與在人類整個(gè)懷孕期看到的相比，肺的發(fā)育開始于孕中期且以一種延遲的方式進(jìn)行。事實(shí)上，在嚙齒動(dòng)物中相當(dāng)數(shù)量的肺成熟（lung maturation），包括肺泡化（alveogenesis）的整個(gè)過程，發(fā)生于出生后。人、綿羊和山羊胎兒至出生時(shí)肺的發(fā)育已基本完善，處于肺泡期；而兔、大鼠和小鼠的胎兒至出生時(shí)肺的發(fā)育尚處于囊狀期。肺泡表面上皮細(xì)胞的分化和氣血屏障的形成是肺發(fā)育的形態(tài)學(xué)標(biāo)志。,9,哺乳動(dòng)物肺

11、發(fā)育過程中不同的形態(tài)學(xué)事件和調(diào)節(jié)機(jī)制之間的聯(lián)系與脊椎動(dòng)物肢體發(fā)育和黑腹果蠅幼蟲氣管發(fā)育具有相似之處。這些形態(tài)學(xué)過程的調(diào)節(jié)已被充分地確定了（Johnson et al., 1994; Tickle, 1999; Capdevila and Izpisua Belmonte, 2001;Ghabrial et al., 2003; Cabernard et al., 2004)，而且它已成為鑒別哺乳動(dòng)物肺發(fā)育的許多機(jī)制的基礎(chǔ)。 本章將集

12、中于闡述控制肺形成的起始（the initiation of lung formation），導(dǎo)氣管分支的形態(tài)發(fā)生（airway branching morphogenesis），成囊作用（sacculation），呼吸道上皮細(xì)胞的分化（respiratory epithelial differentiation）以及肺泡形成（alveolar formation）的主要調(diào)節(jié)機(jī)制。,10,二、LUNG SPECIFICATION AND

13、 SYMMETRY,肺是在發(fā)育的前腸內(nèi)胚層（foregut endoderm）中經(jīng)過一種還未完全確定的過程特化出來的，但它需要HNF3β,Gli,Shh和RA (retinoic acid ,視黃酸) 信號(hào)(Ang and Rossant,1994; Motoyama et al.,1998; Litingtung et al.,1998; Mendelsohn et al.,1994; Desai et al.,2004)。但是在缺乏

14、FGF （fibroblast growth factor，成纖維細(xì)胞生長因子）-1或其受體FGF受體 (FGFR)-2 時(shí)肺發(fā)育不全(Peters et al., 1994; Min et al., 1998; Sekine et al., 1999; DeMoerlooze et al., 2000)。盡管HNF3β特化了前腸的完成，但是調(diào)節(jié)肺芽起始（lung bud initiation）的其他分子似乎組成了一種調(diào)控模塊，其中

15、Gli充當(dāng)Shh途徑的調(diào)節(jié)子，RA促進(jìn)了FGF信號(hào)。雖然氣管畸形（tracheal malformations）在人類中并非罕見，但是這些缺陷的遺傳基礎(chǔ)目前還未充分確定。,11,哺乳動(dòng)物的肺是明顯地不對稱的，其葉片（lobes）數(shù)目在左肺（人類3個(gè)，小鼠1個(gè)）和右肺（人類2個(gè)，小鼠4個(gè)）是不同的。肺對稱性的特化是通過與被用來定義整個(gè)機(jī)體左右軸相同的機(jī)制發(fā)生的；主要是TGF-β (transforming growth factor-

16、β，轉(zhuǎn)化生長因子 )相關(guān)的分子Nodal, ACVR2, Lefty-1和Lefty-2以及同源基因（homeobox gene）Pitx2。最近的數(shù)據(jù)表明Fog2/GATA信號(hào)對于合適的肺葉分隔（lobar septation）是必需的(Ackerman et al.,2005);這也暗示了Fog2作為人類肺發(fā)育不全（lung hypoplasia）和先天性膈疝的一種潛在的遺傳決定因素。,12,三、BRANCHING MORPHO

17、GENESIS,肺發(fā)育是一個(gè)由多種生長因子協(xié)同調(diào)控的復(fù)雜過程，分枝化形態(tài)發(fā)生是肺發(fā)育早期的主要過程，初始的氣道組織持續(xù)生長、反復(fù)分枝，形成復(fù)雜的樹狀氣道系統(tǒng)。此后，氣道末端膨大成終末囊，再進(jìn)一步發(fā)育形成肺泡結(jié)構(gòu)。,,,13,在過去的十年中，遺傳分析已經(jīng)使人們了解了導(dǎo)氣管分枝的形態(tài)發(fā)生的調(diào)節(jié)機(jī)制。很多調(diào)節(jié)途徑促成了此過程，包括EGF（表皮生長因子），TGF-β（β-轉(zhuǎn)化生長因子）/ BMP (bone morphogenetic prot

18、ein ，骨形態(tài)發(fā)生蛋白)以及FGF（成纖維細(xì)胞生長因子）信號(hào)途徑。盡管EGF受體突變型顯示出分枝的嚴(yán)重減少和遲緩的肺發(fā)育(Warburton et al.,1992; Miettinen et al., 1997)，但這也許是細(xì)胞增殖減少的結(jié)果(Goldin and Opperman,1980)。,14,BMP-4和Smad在肺發(fā)育調(diào)控中的作用,BMP4是一種在發(fā)育過程中起重要的生長因子，參與軸向信息的確立和多種器官的形成。BMP

19、4通過Smad1、Smad5和Smad8這三種細(xì)胞內(nèi)信號(hào)分子傳遞到細(xì)胞核內(nèi)，控制效應(yīng)基因的表達(dá)。肺發(fā)育過程中BMP4始終表達(dá)于發(fā)育中的肺的遠(yuǎn)端，控制肺組織沿遠(yuǎn)近軸的分化，抑制BMP4導(dǎo)致末梢肺組織發(fā)育不良，BMP4調(diào)控肺組織發(fā)育地具體機(jī)制仍有待進(jìn)一步深入研究。,15,BMP-4似乎參與了與FGF-10相關(guān)的分枝形態(tài)發(fā)生的信號(hào)途徑，從而特化了分枝的起始和生長位置。BMP-4是在生長的芽的尖端的上皮細(xì)胞中表達(dá)的，而與其緊靠的是附近間充質(zhì)

20、（mesenchyme）FGF-10的表達(dá)(Bellusci et al., 1996)。BMP-4也許是通過促進(jìn)胞外基質(zhì)分子，比如纖連蛋白，其充當(dāng)形成分枝裂縫（branching clefts）的物理障礙 (Sakai et al.,2003)的聚集來抑制了延伸，而促進(jìn)了分枝(Weaver et al.,2000)。最近數(shù)據(jù)表明BMP-4能夠?qū)Υ龠M(jìn)分枝起積極作用(Bragg et al.,2001)。,16,胚胎肺發(fā)育過程中Smd

21、a1以一種動(dòng)態(tài)模式始終表達(dá)于末梢肺組織，在胚胎肺發(fā)育的特定階段，肺間質(zhì)之中的平滑肌細(xì)胞和成肌纖維細(xì)胞表達(dá)Smda1，間質(zhì)中的Smda1可能與這兩類細(xì)胞的分化相關(guān)。Smad1在胚胎肺發(fā)育過程中起著極為重要的作用，在胚胎肺發(fā)育早期Smad1參與肺分枝化形態(tài)發(fā)生的調(diào)控，是氣道分枝化的必需因子，在胚胎肺發(fā)育的中后期，Smdal與末梢肺組織的發(fā)育，特別是Ⅰ型和Ⅱ型上皮細(xì)胞正常分化相關(guān)。Smad1所介導(dǎo)的BMP4通路的信號(hào)，是維持小鼠肺發(fā)育

22、早期分枝化形態(tài)發(fā)生所必需的，降低Smda1的表達(dá)可抑制氣道上皮組織細(xì)胞的增殖和分化。,17,FGF在肺發(fā)育調(diào)控中的作用,BMP-4和FGF-10在協(xié)調(diào)分枝的形態(tài)發(fā)生上起重要作用，它能特化芽/小管（bud/tubule）形成的的時(shí)間和位置。Sutherland et al.(1996)是第一個(gè)鑒定FGF信號(hào)在分枝形態(tài)發(fā)生中發(fā)揮重要作用。用黑腹果蠅幼蟲的氣管發(fā)育作為模式系統(tǒng)，他們鑒定了果蠅FGF配體及其受體的動(dòng)態(tài)表達(dá)。此系統(tǒng)的激活對

23、于促使小管延伸和分支整合是必需的。在小鼠中詳細(xì)的研究已表明此調(diào)節(jié)過程的進(jìn)化保守性，其中FGF-10 和 FGFR-2分別充當(dāng)相關(guān)的配體和受體(Bellusci et al.,1997)。其實(shí)，F(xiàn)GF-10在嚙齒動(dòng)物肺移植培養(yǎng)中能促進(jìn)上皮小管延伸的方向(Park et al., 1998)。,18,FGF信號(hào)通路的細(xì)調(diào)受控于Sprouty-2和-4 以及Shh 途徑。Sporty通過抑制受體酪氨酸激酶活性限制了FGF信號(hào)途徑的作用(Mas

24、on et al.,2006)，因此限制了芽生長或限制了芽分枝的位置。它們導(dǎo)致肺分支形態(tài)發(fā)生的潛在機(jī)制最初在研究果蠅中意識(shí)到了(Hacohen et al.,1998)。在哺乳動(dòng)物中，抑制Sprouty活性會(huì)導(dǎo)致體外分枝的增加(Tefft et al., 1999)，而過度表達(dá)則導(dǎo)致了體內(nèi)分枝的減少(Mailleux et al., 2001; Perl et al., 2003)。,19,像Sprouty一樣，Shh通過在芽尖抑制

25、FGF信號(hào)而限制了芽延伸。在缺乏Shh時(shí)，分枝的模式受到了嚴(yán)重破壞(Pepicelli et al.,1998)。同樣，Shh的異位表導(dǎo)致了肺發(fā)育的異常(Bellusci et al.,1997)。Hip1能夠和Shh相互作用而抑制Shh的功能，Hip的不足會(huì)導(dǎo)致Shh活性的增加及分枝的減少(Chuang et al.,2003)。,20,四、SACCULATION AND EPITHELIAL CELL DIFFERENTIATION

26、,在人類26周的懷孕期或小鼠17.5天的胚胎期內(nèi)，肺經(jīng)歷了囊形成的過程，這極大地改變了肺的末端結(jié)構(gòu)。囊形成的顯著性特征是末端導(dǎo)氣管上皮細(xì)胞的扁平化。此過程是受很多因素調(diào)節(jié)的，比如GATA-6, Nkx2.1, HNF3β, C/EBPa, glucocorticoid hormones（糖皮質(zhì)激素）和FGFs (Cardoso, 2000)。,21,上皮細(xì)胞近端-遠(yuǎn)端軸（proximal–distal axis）的圖式形成是建立在囊

27、形成之前的，其中BMP-4起到了一種重要的調(diào)節(jié)作用(Weaver et al.,1999)。BMP-4也許參加了對維持發(fā)育中肺上皮細(xì)胞必需的信號(hào)途徑，且其依賴于SPC（surfactant protein C，表面活性蛋白C）的表達(dá)。此外，抑制BMP-4會(huì)促進(jìn)由CCSP(Clara cell secretory protein，Clara細(xì)胞分泌性蛋白)表達(dá)確定的近端導(dǎo)氣管表型（proximal airway phenotype）。

28、Wnt/β-catenin 信號(hào)途徑也似乎對建立不連續(xù)的近段的與遠(yuǎn)端的上皮細(xì)胞起關(guān)鍵作用(Mucenski et al., 2003;Shuet al., 2005)。破壞這種信號(hào)會(huì)導(dǎo)致遠(yuǎn)端的肺上皮細(xì)胞的近端化（proximalization），因此表明這些途徑起到了以遠(yuǎn)端表型（distal phenotype）維持細(xì)胞的作用。,22,相反地，Nkx2.1，它是肺特化的最早的標(biāo)志，似乎對建立近端的或遠(yuǎn)端的命運(yùn)是必需的。Nkx2.1的缺

29、乏會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的肺發(fā)育異常，以及SPC和CCSP的完全缺乏。許多其他的分子和途徑促進(jìn)了單個(gè)細(xì)胞命運(yùn)的特化，對此我們目前卻知之甚少。人們已經(jīng)鑒定出了Foxj1對于纖毛細(xì)胞（ciliated cells）的分化是必需的(Chen et al.,1998; Brody et al.,2000)以及Foxa2對于杯狀細(xì)胞（goblet cells）的特化是必需的 (Wan et al.,2004)。,23,綜上所述，胎肺發(fā)育和分化過程受諸多因