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凝集———万泉之源

来源:中华实用医药杂志 作者:李文革 2005-8-4
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摘要: 凝集是骨骼及其他间叶组织的必要阶段。分散的间质群向中心移行形成一个凝集体或凝集,进而分化为软骨、骨、肌肉、肌腱、肾、肺,同时,也是器官形成的最早阶段 [1] 。对于骨骼来说,不止一个骨或软骨起源于单一的凝集。比如:胎鼠中下颚的2个软骨及中耳的2个骨始发于单一凝集,鸡胚的喙有7个骨始发于单一凝集,斑......


    凝集是骨骼及其他间叶组织的必要阶段。分散的间质群向中心移行形成一个凝集体或凝集,进而分化为软骨、骨、肌肉、肌腱、肾、肺,同时,也是器官形成的最早阶段 [1] 。对于骨骼来说,不止一个骨或软骨起源于单一的凝集。比如:胎鼠中下颚的2个软骨及中耳的2个骨始发于单一凝集,鸡胚的喙有7个骨始发于单一凝集,斑马鱼头部三块骨起源于单一凝集。Fell于1925年就指出凝集在骨发生中的重要性,并将其称之为膜样骨骼(membranous skeleton)它先于软骨及骨形成,是骨骼构建的最基本源泉,通过凝集可在个体发生及系统发生上全面调控骨骼进化。因此,Atch-leyand Hall [2] 将凝集认定为在脊椎动物进化过程中器官形成的形态变化最基本的细胞单位。本文就近年来有关凝集的研究进展作简要综述,重点讲述凝集的形成过程及相关影响因素。

    1 凝集的形成

    凝集既是指相类似的细胞的聚集,也是指聚集的形成过程。每一个凝集都有一个或多个细胞发生有丝分裂活动的改变而形成,无细胞从中心向外移动,既细胞向中心聚集。Activin [3] 为TGF-β超家族成员,可明显增强N-CAM的表达及凝集的大小,其机制可能为直接增强细胞聚集程度或间接上调控N-CAM表达而增强凝集。TGF-β及fi-bronectin参与凝集的形成,TGF-β通过调控fibronectin,而后者又近而调控N-CAM而达到启动凝集的作用.羟甲基纤维素(carboxymethyl cellulose)可阻止细胞向软骨分化,主要由于其限制了细胞聚集及细胞-细胞之间的相互作用,这些研究既提供了研究凝集的方法,同时也强调了凝集对启动分化的重要性。

    2 凝集的持续时间

    由凝集到分化的持续时间相当短暂,正常骨发生中其时间约12h。而大鼠的外耳软骨凝集持续时间达到14天 [4] ,鸡胚的下颏骨的膜内化骨中。骨源性凝集大约持续5天。在凝集内,不同区域的细胞可存在不同的时间,这尤其表现于一个凝集可产生几个组织。Miyake发现在C57BL/6近交小鼠中,其腮弓的单一凝集内有3个组成部分,每一部分都有不同的归属而各自持续时间不同。由此可见,凝集的持续时间决定器官的形态变化。

    3 凝集的大小

    凝集的持续时间将影响凝集的大小。Gruneberg [5] 发现许多突变体(mutation)对凝集产生作用。主要由于其影响凝集的大小。太小的凝集将限制形成某一种骨。而过大又可导致骨异常发育。凝集的大小降至临界值之下,是骨进化失调的一个重要机制。凝集的重要性也表现在其时相的滞留(retention)。它将造成本应形成的正常骨骼器官异常发育或残缺。如鲸的后肢,蛇的肢体。偶尔这些结构可隔代出现,这只表明此类凝集中仍保留发育潜能。其相关机制与其固有的性质,外界的抑制及邻近组织的作用相关。

    4 凝集的分子特性

    4.1 细胞外基质及细胞表面分子 [6,7]  细胞外基质及细胞表面分子对凝集的形成非常重要。因为细胞的形状是由细胞骨架-细胞表面-细胞外基质三者相互作用而维持的。(1)hyaluronan(透明质酸酶):它可封闭成软骨作用,去除hyaluronan可再次促进软骨形成。凝集的形成又与hyaluro-nan的减少及硫酸软骨素的增高有关。(2)versican:为透明质酸结合硫酸软骨素糖蛋白,存在于软骨前凝集,并与凝集另一启动子tenascin共同表达同一区域。(3)syndecan:为细胞表面糖蛋白受体,其家族成员正逐渐被发现。Syndecan-2既存在于软骨前凝集,同时也存在于成骨前凝集,参与调控上皮细胞-间充质细胞的相互作用。Syndecan可能为调控从凝集到分化过程的重要调控子。

    4.2 TGF-β家族生长因子 TGF-β可刺激纤维连接蛋白及受体产生。而后者可作为粘附因子而启动凝集,其mRNA在凝集期间可提高5倍。通过刺激纤维连接蛋白,TGF-β可加快凝集的启动。在肢芽的间质中加入TGF-β,2h后足以提高合成Ⅱ型胶原及蛋白多糖mRNA水平约3~6倍。Roark [8] 研究表明鸡胚成软骨前间质细胞在微球培养中可表达TGF-β 1 ,TGF-β 2 ,TGF-β 3 ,尽管TGF-β 3 及BMP-2可促进软骨生成。TGF-β能更有效促进凝集前的细胞。而BMP-2则作用于凝集后细胞。TGF-β通过调节上皮细胞-间质细胞之间的相互作用而调节耳囊软骨的分化。BMP-2定位于鸡胚的成软骨及成骨阶段的凝集区间质中,将更多的间质细胞回收入凝集中,其信号传导途径可调控凝集的大小。过度表达BMP-2,4可明显增强骨骼组织的大小及形状。促进间质祖细胞向凝集分化,其效果如同BMP异位骨化 [9] 。

    4.3 N-CAM神经细胞粘附因子 最近,Oberlender等在对鸟的肢芽成软骨过程中发现:N-CAM表达于软骨前的凝集,并且与N-cadherin共同表达于此期间,N-CAM与Ⅱ型胶原的表达则相排斥。随着细胞从凝集向分化,成熟转化过程中,N-CAM则呈下调控趋势,这也表明N-cadherin启动了凝集中的细胞而N-CAM则能稳定维持这一状态。 Widelitz [10] 于1993年研究发现用抗N-CAM抗体片段Fab则能明显抑制细胞凝集。而过量表达N-CAM则通过增强凝集来增强成软骨作用。一些学者发现Activin及Fi-bronectin则能上调控N-CAM从而促进软骨分化。Tavella及其同事详细描述了N-CAM在从软骨细胞到肥大软骨细胞分化中逐渐消失,但再次表达于成骨细胞中,表明它在软骨内化骨中起一定作用。

    5 凝集至分化

    由凝集到明显的细胞分化需要下调控N-CAM及控制增殖的基因而上调控与分化相关的基因。此过程是通过信号传导路而实现的。Syndecan与fibronectin结合后既下调控N-CAM,同时通过直接启动分化的信号传导路,如:BMP-2,4,激活Homeobox基因,如:MSX-1,Msx-2,近而,增殖的软骨母细胞向软骨细胞、肥大软骨细胞的转变由Indian Hedgehog调控,它可诱发PTH及其相关受体产生,控制正发生的生长板软骨的大小。由此可见,骨发生的各个阶段是由其各自的级联因子调控的。

    参考文献

    1 Hentschel HG,GlimmT,Glazier JA,et al.Dynamical mechanisms for skeletal pattern formation in the vertebrate limb.Proc R Soc Lond B BiolSci,2004,271(1549):1713-1722.

    2 Atchley WR,Hall BK.A model for development and evolution of com- plexmorphological structures.Biol Rev,1991,66;101-157.

    3 Tacchetti C,Tavella S.Cell condensationin chondrogenic differentiation Exp.Cell Res,1992,200:26-33.

    4 Bradamante,Z.Kostovic-knezevic,L.Differentiation of the secondary elastic cartilage in the external ear of the rat1991.Int J Dev Biol,1991,35:311-320.

    5 Gruneberg H,Lee AJ.The anatomy and development of brachypodism in the mouse.J Embryol Exp Morphol,1973,30:119-141.

    6 Minkoff,R,Rundus,V,R.Gpa junction proteinsexhibit early and spefic expression during intramembranous bone formation in the developing chick mandible.Anat Embryol,1994,190:231-241.

    7 Yamagata,M,Shinomura,T.Tissue variation of two large chondroitin sulfate proteoglycanin chick embryos.Anat Embryol,1994,187:433- 444.

    8 Roark E F,Greer K.Transforming growth factor-βand bone morpho-genetic protein-2act by distinct mechanisms to promote chick limb car-tilage differentiation in vitro.Dev.Dynamics,1994,200:103-116.9 Urist MR,Raskin K,Endogenous bone morphogenetic protein expression in transplant of urinary bladder.Plast Reconstr Surg,1997,99:1382- 1389.

    10 Widelitz R B,JingT X,Murray B A.Adhesion molecules in skeletoge-nesis.J Cell Physiol,1993,156:399-411.

    (编辑一 坤)

    作者单位:518036广东深圳北京大学深圳医院骨科   


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