Bio2000細胞生物學(xué)作業(yè)航天航空學(xué)院航博142班徐越學(xué)號_2014310756長骨的發(fā)生人體的骨組織是一種特殊的結(jié)締組織，對人體起支持和保護作用。骨組織由骨細胞、有機基質(zhì)和沉積其中的無機礦物質(zhì)組成。骨組織的形成分為兩種形式，膜內(nèi)成骨和軟骨內(nèi)成骨，前者是間充質(zhì)細胞在結(jié)締組織內(nèi)直接分化成骨細胞，后者則是間充質(zhì)細胞先分化為軟骨細胞形成軟骨雛形，再逐漸被骨細胞代替形成骨組織。長骨的發(fā)生方式是軟骨內(nèi)成骨，下面簡單討論一下該過程。長骨發(fā)生主要包括間充質(zhì)細胞的增殖和聚集并啟動成軟骨方向分化、軟骨的發(fā)生及終末分化、血管入侵和軟骨基質(zhì)的鈣化、初級骨化中心形成、次級骨化中心形成，以及骺線形成骨干停止生長。人體的骨細胞來源于胚胎中胚層的間充質(zhì)細胞(mesenchymalstemcell，MSC)。長骨發(fā)生初期，TGF-8作為早期信號在發(fā)生部位出現(xiàn)，促進fibronectin合成，進而引起一系列細胞黏附分子，例如N-cadherin、N-CAM的出現(xiàn)，細胞之間及細胞與基質(zhì)間的連接變得緊密，間隙連接出現(xiàn)，細胞骨架結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，造成間充質(zhì)細胞的大量聚集。之后，Hox轉(zhuǎn)錄因子激活Shh和FGF的表達，后者通過與Wnt之間的正反饋作用進一步提高表達量，促進聚集的間充質(zhì)細胞大量增殖。上述間充質(zhì)細胞的高密度增值與聚集，形成了具備骨輪廓的間充質(zhì)雛形。在間充質(zhì)雛形形成之時，Wnt可通過8-catenin促進成骨和成軟骨的分化，同時也可通過抑制PPARy阻止間充質(zhì)細胞向脂肪方向分化。此時，Sox9等信號的出現(xiàn)，標志著間充質(zhì)細胞開始向軟骨方向分化，成為軟骨前體細胞，并形成軟骨雛形。而軟骨雛形周圍的間充質(zhì)組織則分化為一層軟骨膜接下來進入軟骨發(fā)生階段。首先，軟骨前體細胞向成熟軟骨細胞分化，這一過程的特征是軟骨基質(zhì)的合成和分泌。早期信號轉(zhuǎn)錄因子Sox9可以啟動一系列軟骨基質(zhì)蛋白，例如CollagenII，IX，XI和蛋白聚糖的轉(zhuǎn)錄表達。之后出現(xiàn)的L-Sox5和Sox6，與Sox9共同作用，促進軟骨基質(zhì)的合成與分泌。軟骨細胞形成后，面臨兩種不同的去向。一是保持原來狀態(tài)增殖生長，形成軟骨組織；二是發(fā)生軟骨內(nèi)骨化，分化成肥大軟骨前體細胞，經(jīng)歷終末分化階段后凋亡并被骨組織取代。軟骨膜細胞中BMP和FGF信號之間表達的平衡，可決定軟骨細胞進行增殖或是發(fā)生分化，并控制其速率。FGF-18與FGFR3結(jié)合抑制細胞的增殖，后者可通過轉(zhuǎn)錄因子Stat1磷酸化使p21表達。因此，F(xiàn)GF-18在軟骨膜中分布沿組織縱軸方向形成濃度梯度，控制不同位置軟骨細胞的增殖速率。其受體FGFR3相應(yīng)的在組織中部有分化傾向的區(qū)域分布較多。軟骨組織通過自身表達的PTHrP和Ihh信號互作調(diào)控其增殖與分化。肥大軟骨前體細胞特異性分泌Ihh，可上調(diào)軟骨細胞PTHrP表達，后者可使其保持在增殖狀態(tài)。當(dāng)肥大軟骨前體細胞分化為肥大細胞后，Ihh不再被表達，軟骨細胞又可分化。之前提到的BMP和FGF分別通過上調(diào)和抑制Ihh的表達，也可控制軟骨細胞的增殖和分化。軟骨增值的同時，組織中段軟骨膜周圍軟組織中的間充質(zhì)細胞受到軟骨膜細胞內(nèi)的BMP信號刺激，向成骨分化，成為骨組織環(huán)繞軟骨中段，稱為骨領(lǐng)。軟骨細胞均勻增殖一段時間后，中部的細胞開始向肥大軟骨細胞分化，這是啟動軟骨內(nèi)骨化的必要步驟。此時，軟骨細胞沿組織縱向形成典型的三層極化結(jié)構(gòu)，末端是具有中間增殖速度的非柱狀軟骨細胞，一部分軟骨細胞形成過渡層，中間區(qū)域是快速增值的柱狀軟骨細胞。柱狀軟骨細胞最后經(jīng)歷終末分化成為肥大軟骨細胞，其標志CollagenX和堿性磷酸酶開始表達。此時細胞體積激增可達20倍，使軟骨組織充分伸長。軟骨細胞的肥大分化依賴于MEF2轉(zhuǎn)錄激活和HDAC4轉(zhuǎn)錄抑制的相互平衡，前者可激活Runx2表達使軟骨細胞分化，而后者則抑制軟骨細胞的成熟。軟骨細胞肥大后分泌的堿性磷酸酶使軟骨基質(zhì)發(fā)生鈣化，限制營養(yǎng)物質(zhì)供應(yīng)，肥大細胞進一步凋亡。肥大前期表達的Runx2可啟動下游目標MMP-13在后期肥大細胞中表達，參與降解吸收鈣化基質(zhì)，使組織內(nèi)形成小空腔，之后會被入侵的成骨細胞代替，稱為初級骨化中心。在組織內(nèi)軟骨被成骨替代之前，血管入侵軟骨膜和肥大細胞區(qū)域是必要條件。這一過程受到VEGF調(diào)控。軟骨細胞肥大分化晚期，有內(nèi)皮細胞遷移到肥大中心并分泌MMP-9,后者通過剪切細胞外基質(zhì)蛋白釋放VEGF。此外，MMP-9、MMP-13和MMP-14都參與降解鈣化的基質(zhì)，協(xié)助骨化進行。VEGF通過與其受體結(jié)合促進血管入侵，包括分布在軟骨膜內(nèi)皮細胞及其周邊軟組織的Flk，分布在晚期肥大細胞中的Npn1，以及特異性分布在軟骨膜中的Npn2。隨著血管的入侵，未分化的間充質(zhì)細胞、成骨細胞和破骨細胞一同進入。成骨細胞附著在殘留鈣化軟骨基質(zhì)表面，在晚期肥大細胞表達的BMP-2、BMP-6、Ihh等的影響下分化并分泌類骨質(zhì)，鈣化成為骨質(zhì)，而后形成原始骨小梁。肥大軟骨細胞分化末期開始表達一些成骨細胞的特異性蛋白OCN、OPN和osteonectino這些蛋白作為骨組織細胞外基質(zhì)，協(xié)助成骨細胞向成熟的骨細胞分化。破骨細胞不斷降解鈣化基質(zhì)，形成骨髓腔，同時被大量血管及間充質(zhì)細胞填滿，并進一步分化成血管、基質(zhì)骨細胞等，形成骨組織。最初的骨組織形成后，骨領(lǐng)外間充質(zhì)細胞不斷在膜內(nèi)形成新的骨組織，而內(nèi)部則不斷被破骨細胞吸收，骨干變粗，骨髓腔擴大。長骨兩端則不斷形成新的軟骨，并以同樣方式骨化，長骨變長，骨髓腔延展。之后，長骨兩端軟骨內(nèi)形成新的次級骨化中心，以類似方式成骨并用原始骨松質(zhì)代替軟骨基質(zhì)，骨干兩端變成骨骺，其間保留一層軟骨，即骺板。骺板在甲狀腺素的作用下，軟骨細胞不斷增殖進一步形成新的骨組織，長骨增長。人體成熟后，性激素分泌增加，抑制軟骨細胞增殖，骺板被骨組織替代形成骺線，長骨停止生長。參考文獻：Delise,A.M.,&Tuan,R.S.(2002).AnalysisofN-cadherinfunctioninlimbmesenchymalchondrogenesisinvitro.DevDyn,225(2),195-204.doi:10.1002/dvdy.10151Frith,J.,&Genever,P.(2008).Transcriptionalcontrolofmesenchymalstemcelldifferentiation.TransfusMedHemother,35(3),216-227.doi:000127448Goldring,M.B.,Tsuchimochi,K.,&Ijiri,K.(2006).Thecontrolofchondrogenesis.JCellBiochem,97(1),33-44.doi:10.1002/jcb.20652James,A.W.(2013).ReviewofSignalingPathwaysGoverningMSCOsteogenicandAdipogenicDifferentiation.Scientifica(Cairo),2013,684736.doi:10.1155/2013/684736Kobayashi,T.,&Kronenberg,H.M.(2014).Overviewofskeletaldevelopment.MethodsMolBiol,1130,3-12.doi:10.1007/978-1-62703-989-5_1Kronenberg,H.M.(2006).PTHrPandskeletaldevelopment.AnnNYAcadSci,1068,1-13.doi:10.1196/annals.1346.002Lefebvre,V.,&Smits,P.(2005).Transcriptionalcontrolofchondrocytefateanddifferentiation.BirthDefectsResCEmbryoToday,75(3),200-212.doi:10.1002/bdrc.20048Volk,S.W.,