维生素A缺乏对胚胎主要器官系统形态构建的影响

【关键词】  ,,,,维生素

 　   Influence of vitamin A deficiency on morphogenesis of main organ systems in embryo developing  SONG Cui，LI Ting-yu （Children's Hospital of Chongqing Medical University，Chongqing 400014，China）

    维生素A（Vitamin A，VA）是一类源于β紫香酮的衍生物，包括视黄醇、视黄醛、视黄酸和视黄酯。其中视黄酸（Retinoic acid，RA）是VA活性最强的衍生物。其在正常的胚胎发育中，参与特殊发育事件的调控。早在19世纪30年代就有研究表明，在胚胎发育期，怀孕母体VA缺乏（Vitamin A Deficiency，VAD）可影响子代正常的生长发育，甚至可造成子代各器官、系统先天畸形。随着分子生物学的和对视黄酸核受体的深入研究，人们从基因水平对VA在胚胎发育中的作用有了更深刻的认识［1，2］ 。本文拟就近年来国内外学者对VAD影响胚胎主要器官系统形态构建及相关机制的研究进展进行综述。

    1 视黄酸核受体与胚胎发育

    胚胎发育按照一定的空间时间模式进行。VA的衍生物RA对胚胎的正常发育至关重要。VA主要通过RA介导的两类视黄酸核受体:RARs（retinoic acid receptors）和RXRs（retinoid X receptors），这两类配体依赖性的转录调节因子，调控靶基因的表达，从而影响胚胎的发育。RARs和RXRs属于核受体超家族，均有α、β、γ三种亚型，每种亚型分别由不同的基因编码。有研究发现，视黄酸核受体发生突变的实验鼠所发生的畸形与VAD所致的畸形非常相似，提示VA对胚胎发育产生的某些影响是通过视黄酸核受体介导实现的［3］ 。

    2 VA对胚胎期主要器官系统形态构建的影响

　　2.1 VA与胚胎心脏的形态构建

    心血管系统是由中胚层分化而来，首先形成的是原始心血管系统，在此基础上经过生长、合并、新生和萎缩等改建过程而逐渐完善。VA信号通路在胚胎发 育过程中具有非常重要的作用。特别是在心脏形态构 建的过程中，需要依靠RXR-α来调节VA信号通路。RXR-α突变可致心肌变薄，甚至造成胚胎死亡。Merki等［4］ 分别对心外膜和心内膜进行一系列组织特异的RXR-α突变研究，发现RXR-α在心外膜的表达对于正常心脏的形态构建是必需的。还发现冠状动脉异常的表现型与RXR-α缺失有关。

    RA可通过调节心脏发生相关基因的表达来参与胚胎心脏的形态构建。发育中的心血管系统表达TbX1，其基因型与心脏发育的表现型密切相关。外源性的RA不仅可以下调TbX1，还可以通过直接或间接的方式改变TbX1的空间表现形式，从而引起心脏形态异常，表现为心室变小、流出道狭窄和心房扩大，最终致无效循环甚至循环终止［5］ 。

    除TbX1外，侧板中胚层关键基因NKx2.5和HAND1的表达也受RA的调控。Collop等［6］ 将蟾蜍胚胎用RAR拮抗剂处理后观察RA在心脏形成过程中的作用。发现在心脏形成早期，RA可改变NKx2.5和HAND1的表达，提示侧板中胚层的早期形成，至少在一定程度上受到RA的调控。同时，研究发现在从心板愈合为心管的过程中需要RA信号的引导。RA信号仅在心板愈合为心管过程中的一个非常狭窄的时间窗中发挥作用，并且其作用呈剂量依赖性:高剂量RAR拮抗剂使心肌两侧壁不能融合;中等剂量下心肌两侧壁可以融合，但心管不能形成;低剂量下，心管可以形成但不能完成心脏所有的分区。用RA拮抗剂处理后，心肌的表现型与其在心脏形成早期阶段的表现相似，即心肌细胞欠成熟。以上研究提示，RA通过RAR的信号通路反应元件发生的作用对于蟾蜍心脏形成过程中形态的建立是必不可少的。

　　 2.2 VA与胚胎神经系统的形态构建

    神经系统起源于神经外胚层。人胚第3周末，内、外胚层之间的脊索诱导外胚层增厚形成神经板，神经板中部下陷形成神经沟，神经沟两侧边缘隆起为神经嵴。神经嵴是神经沟形成时，神经板的柱状细胞与一般外胚层细胞相互移行处的细胞索［7］ 。神经嵴在神经沟中段愈合，最后在头尾端形成前神经孔和后神经孔。4周时神经沟完全封闭为神经管。人胚第4周，神经管的头端膨大发育成为脑，其余部分发育为脊髓。VA在脊椎动物胚胎神经系统的生长、分化、发育及形态构建中有重要作用［8］ 。

    菱脑是大脑发育过程中的过渡结构，也是神经系统中对RA最敏感的区域。White等［9］ 发现VAD的SD大鼠于妊娠12.5d，胚胎神经系统发育出现肉眼可见的异常，最明显的缺陷位于菱脑区，表现为大量后侧颅神经（Ⅸ、Ⅹ、Ⅺ、Ⅻ）和后部咽弓缺失、耳泡异位和前置主静脉肿胀。可见胚胎形成过程中需要RA参与尾部的菱脑及相关结构的形成。

    RA在胚胎发育的不同时期均能对神经系统的发育发挥作用。Halilagic等［10］ 以鹌鹑为模型进行的研究发现，在早期体节时期，VAD胚胎的神经外胚层腹侧死亡的细胞增加，但是神经嵴发育正常，到了后期，头部间质和神经外胚层腹侧中出现大量的细胞凋亡，结果VAD胚胎只形成单个缩小的端脑泡和异常的间脑，并最终死亡;在原肠形成早期，RA在内胚层前部的发育中起作用，调整脊索前方中内胚层对表面神经外胚层的诱导;在神经孔关闭的时候，需要RA参与颅面形态构建的信号转导，包括额鼻隆起间质的形成和前脑的形成。

    近年来研究者阐明了RA参与神经系统形态构建的机制。Novitch等［11］ 的研究表明，胚胎脊索腹侧神经细胞的凋亡受到同源结构域（home domain，HD）的调控。而成纤维细胞生长因子（Fibroblast Growth Factor，Fgfs）可抑制HD蛋白的表达。该研究发现Fgfs信号逃逸可启动脊索腹侧神经的形态构建。而类维生素A（Retinoid）也能诱导脊索腹侧神经的形态构建。另有研究指出，胚胎中胚层尾部产生的Fgfs可抑制神经分化，在神经分化前Fgfs水平会下调。而轴旁中胚层产生的内源性RA可通过下调Fgfs，启动神经分化和神经形态构建。提示RA途经和Fgfs的协调作用可在胚胎体轴延长期促进神经分化［12，13］ 。

　　2.3 VA与胚胎肺的形态构建

    喉以下的呼吸系统是由前肠分化而来。在胚胎肺发育阶段，肺芽的分支受到精确的调控。到胚胎第6个月时达到17级左右。RA在肺芽的分支过程中起着非常重要的协调作用。Chazaud等［14］ 认为，RAR-β是目前唯一确定的参与近端呼吸道形成的RAR转录子。RA可通过促进支气管附近的RAR-β基因的表达，抑制肺芽的过度分支，从而促进近端呼吸道的形成。而RAR拮抗剂BMS493则可通过抑制RAR-β基因的表达，促进肺芽过度分支，从而抑制近端呼吸道的形成。另一方面，RA合成酶RALDH-1、形态构建调节子Tgfb3、Foxa2和囊性纤维化跨膜转导调节蛋白Cftr均参与近端气道的形成。通过体外应用RA或BMS493可改变上述因子的表达。因此推测，RA可通过上调形态构建调节子Tgfb3和Foxa2，为近端气道的形成提供稳定的环境，从而有利于近端气道的形成。

    Desai等［15］ 研究发现，RA可选择性地维持前肠肺形成区域中胚层的增殖，并可诱导Fgf10的表达，从而促进肺芽分支。而RAR拮抗剂BMS493则可通过下调中胚层Fgf10的表达，选择性的阻断肺芽分支的发生。并进一步说明，虽然Fgf10对于前肠分化成的其他器官，如甲状腺、胰腺的正常发育也是必不可少的，但是RA只在肺发生的中胚层调节Fgf10的表达。

    VA参与胚胎肺形态构建的功能和它在肺发育、远端支气管分支形成过程中的代谢密切相关。局部RA信号通路的调控对于正常肺分支的形成可能至关重要。RALDH-2是参与RA合成的酶，而RARE-lacZ是编码产生RALDH-2的基因。两者均可上调RA信号通路;P450RAI是细胞色素P450超家族的成员，具有降解RA的作用。COUPTF-Ⅱ可通过抑制间质中RARs，使RA靶基因失活，从而抑制近端上皮RA信号通路。另外，COUPTF-Ⅱ也可能通过灭活RARE-lacZ来抑制RA信号通路。所以P450RAI和COUPTF-Ⅱ均可下调RA信号通路;Fgf10和Bmp4在远端支气管芽形成过程中表达，Fgf10的表达受RA的抑制，而Fgf10下调可引起Bmp4下调。Fgf10和Bmp4的水平和分布的改变可影响远端支气管芽的形态构建。Malpel等［16］ 的研究发现，在胚胎肺发育、远端支气管分支形成的过程中，RALDH-2、RARE-lacZ、P450RAI和COUPTF-Ⅱ共同调节RA信号通路的活性:在肺形成的早期肺原基处，RALDH-2、RARE-lacZ表达明显，而P450RAI、COUPTF-Ⅱ无表达;随着胚胎肺发育的进展，RALDH-2、RARE-lacZ表达逐渐减弱，而P450RAI、COUPTF-Ⅱ水平逐渐增高，RA信号通路呈现由近端到远端逐渐减弱的趋势。RA信号通路在时间和空间上的有效协调，启动Fgf10和Bmp4适时的表达，从而使肺形态得以正常构建。

    2.4 VA与胚胎其他器官系统的形态构建

    近年来有研究发现完全VAD的鹌鹑胚胎不能存活到发育出肢体，且敲除了RALDH-2基因的小鼠不出现肢芽，肢体形态构建的异常可能是RA在发育后期作用的结果;敲除了RALDH-2基因的小鼠还可表现为视网膜发育畸形;而在RAR复合突变的小鼠可见到泌尿生殖系统的先天畸形［17］ 。

    3 结语

    VA是机体必需的维生素。它不仅能在出生后影响机体的生长发育，还在胚胎时期参与各器官系统的形态构建。母体VA的营养状况可直接影响胎儿。母体孕期VAD可使胎儿体内VA水平降低，从而影响各组织器官的正常发育，形成先天畸形。所以孕期保证足够的VA对于维持孕妇和新生儿的健康都是非常必要的。

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