在胚胎發生過程中，單個細胞的聚合體是如何發育形成完整身體的問題一直存在著各種令人著迷的疑點。迄今已知，在這個過程中涉及了多種細胞事件的發生。例如，在脊椎動物發育過程中，極化細胞的運動是身體平面形成的主要特徵。這些運動被稱為「收斂和伸展」或「收斂性伸展」，它們使脊椎動物胚胎的中外側側面變窄（收斂），並使其前後側面伸長（延伸），從而確立其形態和功能的極性，頭在一端，尾在另一端【1】。與此同時，頂端收縮（一種細胞形態的改變，是上皮細胞的頂端一側——通常是細胞的外部或面向管腔的一側——的收縮，常常導致柱狀或立方細胞變成不規則形狀、楔形或瓶狀）也促進著組織在各種穩態和發育環境中的重塑，包括許多生物體的原腸胚形成和脊椎動物的神經管形成過程【2】。而近些年來的研究開始發現基底膜在組織形態發生中的不可忽視的作用。許多上皮組織在胚胎發育過程中迅速擴張，但仍被基底膜所包圍。基底膜是一種緻密、片狀的特化細胞外基質，主要由層粘連蛋白、IV型膠原、巢蛋白、硫酸乙醯肝素蛋白多糖和基底膜聚糖組成。基底膜的重塑被認為發生在分支形態發生的過程中，以適應上皮細胞的生長【3】。
小鼠胚胎著床後早期呈現一個中空的圓柱形結構，由多能外胚層和胚外外胚層兩個毗鄰的組織構成，並被另一層胚外組織（髒壁內胚層）所覆蓋【4】。胚胎著床後，儘管被基底膜包圍，但外胚層和胚外外胚層仍沿著胚胎的近-遠軸生長，基底膜和這些組織之間的信號對於細胞極化和隨後的形態發生是至關重要的，然而基底膜在著床後胚胎發生中的作用機制仍不清楚。
近日，來自英國劍橋大學的Magdalena Zernicka-Goetz教授研究團隊在Nature上在線發表題為「Basement membrane remodelling regulates mouse embryogenesis」的文章，闡明了在胚胎發育早期基底膜重塑的時空調控作用機制及其重要性，指明基底膜重塑的時空調控有助於胚胎生長、形態發生和原腸胚形成之間的協調，為胚胎發育之謎團的解開增添了濃墨重彩的一筆。
基底膜的不可變形性對組織的擴張有阻礙作用，那麼它勢必有著特殊的特性才能允許胚胎的生長。為了解釋這一假設，本文的研究人員研究了小鼠胚胎從著床到原腸胚形成的發育過程，揭示了外胚層由於胚胎生長的方向而受到更大的力的作用，因而其周圍的基底膜出現穿孔現象。進一步地分析顯示，基底膜穿孔最初均勻地分布在外胚層周圍，但隨著胚胎的生長而向一側傾斜，在前髒壁內胚層（anterior visceral endoderm , AVE）區域的基底膜穿孔較少，並且在AVE復位完成後，基底膜穿孔定位於後側。與此同時，通過幹擾RhoA（對細胞集體遷移所必需的基因）抑制AVE遷移來觀察穿孔位置，結果顯示基底膜穿孔在胚胎的近端累積，未能沿垂直於胚胎近端-遠端軸而進行不對稱定位，由此表明基底膜穿孔的分布可能與AVE遷移和與前-後（anterior-posterior , AP）軸的建立有關。
AVE有助於建立橫跨AP軸的Nodal活性梯度，從而有助於原條的定位和原腸胚的啟動。基於此，本研究進一步的實驗發現AVE介導的Nodal信號調控對於基底膜穿孔的分布是必需的。在胚胎著床後早期，Nodal信號可以通過Smad2/3直接調節基質金屬蛋白酶2（MMP2）和MMP14的表達，從而參與小鼠胚胎發生過程中基底膜穿孔的發生，繼而導致細胞限制的減少，允許胚胎生長。
隨後，本文研究人員使用螢光明膠作為基底膜的人工替代物培養胚胎幹細胞（ES細胞，可模擬著床後早期外胚層的轉錄特徵），通過去除多能維持因子來抑制ES細胞的多能性，在這些條件下，ES細胞可以誘導明膠的穿孔，而Nodal抑制劑則阻斷了明膠穿孔的形成，由此表明，ES細胞在消除多能性後可以直接以Nodal依賴的方式重構基底膜，也證實了在體內和體外基底膜的重塑都需要Nodal信號的參與，並且Nodal敲除引起的基底膜穿孔減少與細胞外基質成分的表達無關。
當胚胎生長並建立AP軸時，是在為原腸胚的形成做準備。本文研究人員觀察到，在原腸胚形成之前及其形成過程中，MMP蛋白的表達和基底膜穿孔定位於胚胎的後部（也是Nodal高表達的地方）。而在原腸胚形成開始前的12小時，胚胎後部開始出現穿孔，提示基底膜穿孔可能促使原條的形成。隨後的實驗結果表明，MMP的抑制導致原條擴展出現缺陷，胚胎形成不完全的中胚層，最終導致原腸胚形成失敗，由此表明胚胎後部區域基底膜的穿孔對原條的擴展和正常的原腸胚形成都是極其重要的。
綜上所述，本文首次發現了一種機制，將基底膜的重塑與Nodal信號和AP軸的建立聯繫起來（圖1）。在胚胎著床後早期，由於MMP的表達而產生的基底膜穿孔均勻分布，有利於胚胎的生長。隨著AVE逐漸向前部遷移，Nodal信號活性被限制在另一側，且MMP的表達積累，從而使得胚胎後部出現穿孔。最後，穿孔在原腸胚形成開始後持續存在，以形成預期的原條。這種基底膜在原條部位上預先存在模式對於原腸胚形成和原條擴展的正確進行是極其重要的，因此可以說，基底膜的重塑協調了胚胎的生長和形態發生，使得原腸胚得以正常發育。
圖1 基底膜重塑調控模型
原文連結：
https://doi.org/10.1038/s41586-020-2264-2
作者：bioart
參考文獻
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3. Harunaga, J. S., Doyle, A. D. & Yamada, K. M. Local and global dynamics of the basement membrane during branching morphogenesis require protease activity and actomyosin contractility.Dev. Biol. 394, 197–205 (2014).
4. Christodoulou, N. et al. Morphogenesis of extra-embryonic tissues directs the remodelling of the mouse embryo at implantation.Nat. Commun. 10, 3557 (2019).