眼睛發(fā)育分子機(jī)制及其研究精

1、眼睛發(fā)育分子機(jī)制及發(fā)展研究姓名:王星學(xué)號(hào):M201171507導(dǎo)師:張賢欽有關(guān)于眼睛發(fā)育的近期研究：在2000年，美國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)晶狀體對(duì)眼睛發(fā)育起重要作用發(fā)表在Science：美國(guó)科學(xué)家對(duì)沒(méi)有視覺(jué)的盲魚(yú)進(jìn)行健康晶狀體移植手術(shù)后使之恢復(fù)了視力，由此表明晶狀體具有激發(fā)盲魚(yú)眼睛發(fā)育的作用。為了弄清晶狀體在激發(fā)眼睛生長(zhǎng)中的作用，研究人員將盲魚(yú)和跟它有密切關(guān)系、具有視覺(jué)功能的同一類(lèi)魚(yú)進(jìn)行眼睛互相移植實(shí)驗(yàn)。他們?cè)趯?shí)驗(yàn)前將盲魚(yú)眼部退化的晶狀體組織去掉，然后從明眼魚(yú)的胚胎中取出晶狀體早期組織，將之移植到發(fā)育中的盲魚(yú)眼窩內(nèi)。研究人員對(duì)每條盲魚(yú)只移植一個(gè)晶狀體，這樣可以用同一盲魚(yú)對(duì)比眼睛發(fā)育情況。8天之后，杰弗里

2、等人注意到盲魚(yú)眼部有所長(zhǎng)大。兩個(gè)月后，盲魚(yú)長(zhǎng)出了一個(gè)有清晰瞳孔、角膜和虹膜的大眼睛。止匕外，移植過(guò)晶狀體的盲魚(yú)眼睛的視網(wǎng)膜上還長(zhǎng)出了感光細(xì)胞,這種細(xì)胞在盲魚(yú)眼中原先不存在或極其稀少。另外，研究人員將盲魚(yú)退化的晶狀體移植到了有視覺(jué)的魚(yú)眼中，但這一組織沒(méi)有發(fā)育成正常的眼睛。這一發(fā)現(xiàn)將有助于研究人員找到與眼睛生長(zhǎng)和發(fā)育有關(guān)的遺傳因素?？茖W(xué)家指出，導(dǎo)致失明的原因很多，但他們的發(fā)現(xiàn)將幫助科學(xué)家從遺傳角度找到影響眼睛發(fā)育的因素，并將最終幫助科學(xué)家弄清失明機(jī)理。一、眼睛發(fā)育四個(gè)階段：1、胚眼的發(fā)生和形成；2、眼球主要組成部分的發(fā)生；3、眼附屬器的發(fā)育；4、出生后眼的發(fā)育。第一階段：胚眼的發(fā)生和形成，在神經(jīng)胚

3、形成之后，視窩、視泡來(lái)源于前腦泡頭褶的兩側(cè)出現(xiàn)凹陷，稱(chēng)視窩，是眼的原基。視泡與表皮外胚層接觸后，誘導(dǎo)該處的預(yù)定晶狀體外胚層增厚,形成晶狀體板，為晶狀體始基。視杯早期下方為一裂縫，稱(chēng)為胚裂。圍繞視杯的中胚葉組織經(jīng)胚裂進(jìn)入視杯內(nèi)形成透明樣血管系統(tǒng)（原始玻璃體動(dòng)脈，營(yíng)養(yǎng)視杯內(nèi)層、晶狀體泡及視杯間質(zhì)。視裂于胚胎第五周開(kāi)始閉合，由中部開(kāi)始晌前后延伸，當(dāng)胚長(zhǎng)達(dá)17mm時(shí),除視莖下面外，完全閉合。玻璃體動(dòng)、靜脈穿經(jīng)玻璃體的一段退化，遺留一殘跡，稱(chēng)玻璃體管（Cloquet管；其近段分化為視網(wǎng)膜中央動(dòng)、靜脈。在視泡形成至胚裂閉合過(guò)程中，包繞視杯、視柄、晶狀體泡的中胚葉逐漸分化為脈絡(luò)膜始基和鞏膜始基。此時(shí)，眼的各

4、部組織已具雛形，即形成胚眼。第二階段：眼球主要組成部分的發(fā)生，（1視網(wǎng)膜的形成：視杯外層形成視網(wǎng)膜色素上皮層，并保持為單細(xì)胞層。胚胎4周時(shí)，細(xì)胞內(nèi)開(kāi)始出現(xiàn)色素顆粒，至第5周時(shí)細(xì)胞內(nèi)充滿(mǎn)色素。視杯內(nèi)層急劇進(jìn)行細(xì)胞增殖，最終分化成視網(wǎng)膜感覺(jué)部（內(nèi)9層。二層之間的空隙不久消退，形成潛在間隙。（2視網(wǎng)膜睫狀體和虹膜的形成：胚胎第3個(gè)月時(shí)，視杯前緣向前生長(zhǎng)，并包繞晶體，形成睫狀體和虹膜內(nèi)面的兩層上皮。睫狀體內(nèi)面的上皮，外層有色素，內(nèi)層無(wú)色素。而虹膜內(nèi)面的兩層上皮都有色素。虹膜中的瞳孔括約肌和瞳孔開(kāi)大肌，也是從視杯緣的外層分化而來(lái)，屬于外胚層組織。睫狀肌由睫狀體部位的中胚層增厚分化而成。（3視神經(jīng)的形成：

5、由胚眼的視柄發(fā)育而來(lái)。逐漸增多的視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞軸突向視柄內(nèi)層匯集，視柄內(nèi)層增厚并與外層融合。視柄細(xì)胞演變?yōu)樾切文z質(zhì)細(xì)胞和少突膠質(zhì)細(xì)胞，與節(jié)細(xì)胞軸突混雜，于是視柄演化為視神經(jīng)。僅視盤(pán)中央處有視柄細(xì)胞殘留，出生時(shí)即萎縮形成生理凹陷。視神經(jīng)的髓鞘由腦部沿視神經(jīng)向眼側(cè)生長(zhǎng)，出生時(shí)止于篩板后，如進(jìn)入視網(wǎng)膜則形成視網(wǎng)膜有髓鞘神經(jīng)纖維。視神經(jīng)逐漸向中樞神經(jīng)系統(tǒng)方向生長(zhǎng)，在腦垂體前形成視交叉。當(dāng)胚胎10周時(shí)形成視束。（4晶狀體的形成：晶狀體泡前壁細(xì)胞始終保持上皮性質(zhì),分化為晶狀體上皮。胚胎5周時(shí)，晶狀體泡后壁細(xì)胞逐漸變長(zhǎng)向前生長(zhǎng)，直達(dá)前壁下面，充滿(mǎn)晶狀體腔,成為初級(jí)晶狀體纖維。赤道部的晶狀體細(xì)胞在胚胎7周后

6、開(kāi)始分裂,分化成為次級(jí)晶狀體纖維，前后相接而形成縫合線(xiàn)。晶狀體囊于胚胎5-6周形成，可能為晶狀體上皮細(xì)胞的基底膜產(chǎn)物。當(dāng)晶狀體在發(fā)育過(guò)程中受到障礙，可產(chǎn)生種種先天異常。發(fā)生不同類(lèi)型的先天性白內(nèi)障或無(wú)晶狀體等。（5玻璃體的形成:原始玻璃體：由原始視泡和晶狀體泡間存在的細(xì)胞間質(zhì)形成，次級(jí)玻璃體:由視杯內(nèi)層細(xì)胞產(chǎn)生，將原始玻璃體擠向眼球中央和晶狀體后面，使其形成Cloquet管。三級(jí)玻璃體：即晶體懸韌帶。由睫狀體的神經(jīng)上皮細(xì)胞分泌出纖維絲，發(fā)育成為晶體懸韌帶。（6眼球血管系統(tǒng)的形成：玻璃體血管系統(tǒng)：胚胎第3周，原始眼動(dòng)脈沿視杯腹側(cè)分出玻璃體動(dòng)脈經(jīng)胚裂入視杯，到玻璃體腔內(nèi)前行，達(dá)晶體泡的后部形成晶體血

7、管膜。其它分支沿視杯向前至視杯邊緣,互相吻合成環(huán)狀血管并與晶體血管膜吻合。同時(shí)，未來(lái)脈絡(luò)膜毛細(xì)血管亦出現(xiàn)于視杯外面。視網(wǎng)膜中央血管系統(tǒng)：胚胎第3個(gè)月，玻璃體動(dòng)脈與晶體血管膜開(kāi)始萎縮，玻璃體動(dòng)脈在視盤(pán)處分出血管，逐漸形成視網(wǎng)膜中央血管系統(tǒng)。（7色素膜的形成:虹膜基質(zhì):胚胎第6周末，體表外胚層與晶體之間中胚層組織出現(xiàn)一裂隙，即前房始基，由此形成前房。裂隙后壁富于血管的中胚層組織，形成虹膜的基質(zhì)層,中央部較薄稱(chēng)瞳孔膜。胚胎第7個(gè)月時(shí),瞳孔膜中央開(kāi)始萎縮,形成瞳孔。脈絡(luò)膜：胚胎長(zhǎng)6mm時(shí)，有毛細(xì)血管網(wǎng)包圍視泡，并逐漸發(fā)育成脈絡(luò)膜。第3個(gè)月時(shí)，脈絡(luò)膜開(kāi)始形成中血管和大血管，并引流入渦靜脈。（8角膜的形成

8、:晶狀體泡與表皮外胚層脫離后，外層預(yù)定角膜上皮細(xì)胞增殖形成兩層細(xì)胞。在發(fā)育中的視網(wǎng)膜和晶狀體誘導(dǎo)作用下,預(yù)定角膜上皮開(kāi)始在內(nèi)表面分泌細(xì)胞外基質(zhì)，形成初級(jí)角膜基質(zhì),隨后問(wèn)質(zhì)細(xì)胞侵入初級(jí)角膜基質(zhì)中,形成次級(jí)角膜基質(zhì)和角膜內(nèi)皮,最后變?yōu)橥该鞯慕悄?。?鞏膜的形成：胚胎第2個(gè)月末由視杯周?chē)闹信呷~開(kāi)始形成,先由角膜緣和眼外肌附著處開(kāi)始形成鞏膜纖維,向后進(jìn)展，至胚胎第5個(gè)月鞏膜發(fā)育完成。（10眼眶的發(fā)育：胚胎第4周時(shí)由圍繞視杯周?chē)信邔咏M織發(fā)育而成眼眶，發(fā)育較眼球緩慢，將持續(xù)到青春期。如在兒童期摘除眼球，可影響眼眶的正常發(fā)育。隨著眼眶的發(fā)育眶軸逐漸向前移動(dòng)。視軸亦隨之發(fā)生變化。視軸的改變對(duì)雙眼單視的形成

9、有很大的關(guān)系。第三階段：眼附屬器的發(fā)育；（1眼瞼和結(jié)膜的發(fā)育：眼瞼與結(jié)膜的上皮細(xì)胞層、腺體和導(dǎo)管、睫毛由體表外胚層發(fā)生；上皮下的纖維組織、瞼板、肌肉則由中胚層發(fā)生。胚胎第5周，眼球前方與角膜上皮毗鄰的表面外胚層形成瞼褶，為眼瞼始基。瞼褶外面的表皮外胚層形成眼瞼，內(nèi)面形成結(jié)膜,并和球結(jié)膜及角膜上皮相連。第9周發(fā)育出眼瞼附屬物如毛囊、皮脂腺等，隨后出現(xiàn)睫毛，胚胎第6周時(shí)出現(xiàn)瞼板腺。（2淚器的發(fā)育：淚器所有組織均由體表外胚層發(fā)育而來(lái)。淚腺于第3個(gè)月由上穹隆部外側(cè)結(jié)膜上皮分化而來(lái)。淚道是在第6周時(shí),體皮外胚層在外側(cè)鼻突和上頜突之間下陷成溝，后此處上皮和表面上皮脫離，逐漸形成管道。7個(gè)月上下淚點(diǎn)開(kāi)放。第

10、8個(gè)月鼻淚管下口開(kāi)放。直至出生時(shí)淚道完全通暢。（3眼外肌的發(fā)育：由視泡周?chē)闹信邔影l(fā)育產(chǎn)生。胚胎第3周時(shí),中胚層組織凝集呈圓錐形，并向前圍繞視泡，此即原始眼外肌組織。4周開(kāi)始分化，第5周時(shí)已能分辨出直肌和斜肌。第6周時(shí)，各個(gè)眼肌已完全分開(kāi)。第10周時(shí)，上直肌分化出上提瞼肌。第11周該肌發(fā)育完全，當(dāng)上直肌發(fā)育不全時(shí)，常同時(shí)伴有提上瞼肌發(fā)育不全。第12周時(shí),在直肌附著處中胚層組織密度增加逐漸分化形成眼球筋膜。第四階段：出生后眼的發(fā)育；胎兒出生時(shí)，眼球前后徑為12.5mm15.8mm,垂直徑14.5mm17nlm。出生后第一年生長(zhǎng)較快，以后生長(zhǎng)漸緩，青春期后又加快，20歲左右逐漸停止生長(zhǎng)。第二年角膜

11、達(dá)到成人大小，前房角在出生后繼續(xù)張開(kāi)，24歲時(shí)達(dá)到成人大小。黃斑部中心凹于出生后4個(gè)月內(nèi)發(fā)育完善。出生后，晶狀體第一年生長(zhǎng)很快，逐漸變?yōu)楸馄?一生中不斷生長(zhǎng)，直到老年時(shí)生長(zhǎng)緩慢。二、眼球發(fā)育調(diào)控的分子機(jī)制：眼睛的發(fā)育過(guò)程被形象地分為三階段：特化期，決定期和終末分化期。每一期都與特定的選擇性基因或蛋白的表達(dá)有關(guān)，后者又受到細(xì)胞外信號(hào)通路的調(diào)控。特化期為細(xì)胞塑型早期，細(xì)胞命運(yùn)主要依賴(lài)環(huán)境因素,細(xì)胞分化具有可逆性。決定期細(xì)胞進(jìn)一步塑型，該期細(xì)胞分化為自治行為，不可逆轉(zhuǎn),對(duì)環(huán)境信息不敏感。參與眼發(fā)育調(diào)控的基因：(1與眼球發(fā)生密切相關(guān)的基因：Pax6、Rx和Eya1和Eya2;(2與晶狀體發(fā)育相關(guān)的基因

12、：BMP、Pax6Sox2、Lmaf、Six3、Prox1、Crystallins家族等；(3與視網(wǎng)膜發(fā)育相關(guān)的基因：周?chē)h(huán)境中的各種外源因子如SHH等。(1與眼球發(fā)生密切相關(guān)的基因：Pax6基因:Pax6基因編碼的產(chǎn)物屬于DNA結(jié)合蛋白家族，含有一個(gè)128-129個(gè)氨基酸的DNA結(jié)合區(qū)，稱(chēng)為paireddomain(PD另一個(gè)DNA結(jié)合區(qū)為同源結(jié)構(gòu)域(homeodomainHD。Pax6蛋白通過(guò)識(shí)別、結(jié)合特定的DNA序列而調(diào)節(jié)其靶基因的表達(dá)。PD結(jié)構(gòu)域從結(jié)構(gòu)和功能上分為兩個(gè)部分:PAI和RED,哺乳動(dòng)物Pax6基因編碼的產(chǎn)物主要有兩種：Pax6(p46和Pax6(p48,其它的短片段如p4

13、3,p33,p32等在細(xì)胞漿中少量表達(dá)，無(wú)特殊功能。Pax6在眼外也有表達(dá)，但它對(duì)眼發(fā)育的調(diào)控有重要的作用。目前認(rèn)為Pax6對(duì)眼組織發(fā)育的特化作用,與它和組織特化調(diào)控因子（c-Maf,Ap-2,Sox2等、廣泛表達(dá)因子（pRb和TFIID相互作用，以及它可以調(diào)控一些轉(zhuǎn)錄因子（c-Maf,Maf/L-Maf,Six3和Prox1的表達(dá)有關(guān)。Rx基因:Rx（retinalhomebox家族是一類(lèi)與視覺(jué)神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育密切相關(guān)的同源異型基因，調(diào)控眼基質(zhì)、視泡、視網(wǎng)膜、前腦以及中腦部分區(qū)域的發(fā)育。據(jù)目前的研究結(jié)果，Rx基因與視覺(jué)神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育的關(guān)系可以簡(jiǎn)述為：按胚胎發(fā)育的時(shí)間與空間順序,Rx基因調(diào)控眼睛和其

14、他腦區(qū)的發(fā)育。眼缺失（eyeabsent因:眼缺失基因也在胚眼的發(fā)育過(guò)程中表達(dá)。在果蠅中Eya1和Eya2基因的缺失將導(dǎo)致無(wú)眼或小眼球；人類(lèi)和小鼠的相應(yīng)基因缺陷可以導(dǎo)致支氣管-耳-腎綜合征。（2與視網(wǎng)膜發(fā)育相關(guān)的基因：視網(wǎng)膜發(fā)育的基因調(diào)控從視泡、視杯發(fā)育到神經(jīng)視網(wǎng)膜、視網(wǎng)膜色素上皮的分化進(jìn)一步發(fā)育分化成為精細(xì)的視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)，需要精確的時(shí)間和空間的基因表達(dá)調(diào)控。脊椎動(dòng)物的視網(wǎng)膜包括六種類(lèi)型的神經(jīng)元和一種神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞，構(gòu)成精細(xì)的細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)。視網(wǎng)膜發(fā)育過(guò)程中，各種類(lèi)型的細(xì)胞都是由多能視網(wǎng)膜神經(jīng)前體細(xì)胞發(fā)育而來(lái)的。視網(wǎng)膜神經(jīng)系統(tǒng)的正常發(fā)育受干細(xì)胞本身和它所處的環(huán)境因素影響而決定。SHH因子：在視網(wǎng)膜的

15、發(fā)育過(guò)程中，視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞表達(dá)產(chǎn)生SHH蛋白，SHH蛋白是調(diào)節(jié)視網(wǎng)膜神經(jīng)細(xì)胞分化的重要信號(hào)分子，對(duì)于視網(wǎng)膜的神經(jīng)形成和正常分層的過(guò)程十分必要，它能夠促進(jìn)哺乳動(dòng)物視網(wǎng)膜神經(jīng)上皮發(fā)育分化，且SHH信號(hào)途徑參與調(diào)控視網(wǎng)膜神經(jīng)細(xì)胞再生。bHLH轉(zhuǎn)錄因子家族：在脊椎動(dòng)物中，bHLH家族中的Hes1和Hes2在Notch/Delta信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的下游發(fā)揮作用，抑制視網(wǎng)膜神經(jīng)元的分化Pax6是保持視網(wǎng)膜神經(jīng)前體細(xì)胞多能性必需的，同時(shí)Pax6促進(jìn)bHLH轉(zhuǎn)錄因子家族中的Ngn2、Mashl和Mash5基因的表達(dá)，這些基因的表達(dá)是決定視網(wǎng)膜神經(jīng)元傾向分化所不可或缺。Proxl參與胚胎視網(wǎng)膜的發(fā)育，Proxl基

16、因在胚胎視網(wǎng)膜發(fā)育期間兩次被打開(kāi)和關(guān)閉，通過(guò)Proxl基因敲除小鼠模型的研究，發(fā)現(xiàn)這個(gè)基因是視網(wǎng)膜中水平細(xì)胞層的正確發(fā)育所必需的，水平層細(xì)胞重要負(fù)責(zé)處理視桿細(xì)胞傳遞過(guò)來(lái)的信息。Vax1與Vax2在視泡區(qū)域表達(dá)并作用于視杯的發(fā)育，Vax與其它同源異形盒基因（如Rx,Rax、Chx10等相互作用共同調(diào)節(jié)視覺(jué)神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育。（3晶狀體發(fā)育：晶狀體的形成是一系列誘導(dǎo)者對(duì)預(yù)定晶狀體外胚層細(xì)胞連續(xù)誘導(dǎo)和作用的結(jié)果。視泡與表皮外胚層接觸、晶狀體板的形成，至少取決于兩個(gè)方面的因素：視泡發(fā)出誘導(dǎo)信號(hào)；預(yù)定發(fā)育成品狀體的表皮外胚葉接受誘導(dǎo)刺激產(chǎn)生反應(yīng)。其中晶狀體誘導(dǎo)作用對(duì)晶狀體的形成非常重要，晶狀體誘導(dǎo)現(xiàn)象是指臨

17、近的組織通過(guò)信號(hào)的傳遞影響晶狀體細(xì)胞的變化，從而對(duì)晶狀體的形成進(jìn)行調(diào)控。Six3基因Six3通過(guò)直接激活Pax6發(fā)揮功能。Pax6基因被認(rèn)為是眼睛發(fā)育的總指揮官。在沒(méi)有Six3的情況下，Pax6不能調(diào)節(jié)其它一系列負(fù)責(zé)晶狀體發(fā)育的基因的活性。晶體蛋白基因晶狀體發(fā)育過(guò)程中特征性表達(dá)和積聚水溶性蛋白-晶體蛋白。晶體蛋白必須透明，有一定的屈光度，能夠保持晶狀體的完整。晶體蛋白分為兩種：組織廣泛表達(dá)的為晶體蛋白，6丫晶體蛋白和某些動(dòng)物晶狀體中特異表達(dá)的晶體蛋白（大部分這種蛋白具有酶活性，稱(chēng)為晶體蛋白酶。Pax6基因在晶狀體發(fā)育過(guò)程中，Pax6基因在表皮外胚葉發(fā)揮作用，而不是在視泡中。對(duì)蟾蛛胚胎晶狀體發(fā)育

18、的研究表明，Pax6基因的表達(dá)在晶狀體發(fā)育過(guò)程中是必需的和充足的。Pax6基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控極其復(fù)雜，Pax6基因有超過(guò)40個(gè)高度保守的非編碼序列區(qū)域，這些保守區(qū)域的一部分是具有轉(zhuǎn)錄增強(qiáng)子的活性。Pax6基因轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游約3.5kb處，存在一個(gè)340個(gè)堿基組成的高度保守區(qū)域。這個(gè)區(qū)域具有增強(qiáng)子活性，稱(chēng)為外胚葉增強(qiáng)子（EE。通過(guò)研究先天性無(wú)虹膜患者Pax6基因的3端的突變位點(diǎn)發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)在3端有一個(gè)序列-SIMO在晶狀體的發(fā)育過(guò)程中起增強(qiáng)子的作用。晶狀體的正常發(fā)育需要EE的參與。EE純合敲除的小鼠表現(xiàn)為晶狀體發(fā)育異常。EE的功能主要是加強(qiáng)鼻側(cè)晶狀體板Pax6基因的表達(dá)，同時(shí)至少還有另一增強(qiáng)子，可能是