弓動脈，是脊椎動物胚胎連接心臟與背主動脈的唯一通道，為胚體血液循環的重要組成部分。弓動脈的發育分為弓動脈血管的形成以及血管重塑兩個過程，最終形成頸動脈、括鎖骨下動脈、主動脈和肺動脈等心臟大動脈血管。斑馬魚胚胎弓動脈發育雖然沒有重塑過程，但弓動脈的形成高度保守，是研究心血管發育的理想模型。心臟大動脈血管發育缺陷是導致先天性心血管疾病的主要原因之一，每年數百萬嬰兒和兒童因心臟大血管發育異常死亡。心臟大動脈血管發育缺陷包括頸動脈異常、主動脈弓中斷、主動脈縮窄、開放性動脈導管、永存動脈幹、肺動脈發育不全及右鎖骨下動脈異常起源等【1,2】。據研究報導，先天性心臟病患病率自上世紀起顯著升高，近十五年新生兒患病率約達到0.9%，是全球關注的重大健康問題之一【3】。
前腸內胚層來源的咽囊和弓動脈位於胚胎腮弓，在空間上鄰近，而且各對咽囊的出現稍稍早於與之對應的弓動脈【4】。有意思的是，在斑馬魚、小鼠等相關突變體和DiGeorge Syndrome患者中，咽囊發育缺陷常伴隨著弓動脈血管發育異常。由於咽囊對於腮弓發育至關重要，所以人們一般認為咽囊對於弓動脈發育的影響是一種次級效應。咽囊是否直接調控咽弓動脈發育，目前還有待深入探究。
2020年12月17日，中國科學院動物研究所王強研究員課題組在Development在線發表了題為「Pharyngeal pouches provide a niche microenvironment for arch artery progenitor specification」的研究論文。該研究以斑馬魚為模式生物，結合細胞譜系追蹤、組織特異性消除和突變體製備等實驗技術探討了咽囊對弓動脈發育的調控作用，發現咽囊直接與咽區中胚層接觸，並通過表達和分泌BMP2a與BMP5，激活咽區中胚層細胞的BMP活性，為其特化為弓動脈前體細胞提供了一個合適的微環境。
弓動脈內皮細胞來源於胚胎體節期第二心區表達nkx2.5的細胞，位於側板中胚層。這些nkx2.5+細胞一部分向胚胎中軸遷移，參與心臟發育；其餘細胞停留在兩側，形成咽區中胚層，是心臟流出道、頭部肌肉組織和弓動脈的共同前體細胞【5,6】。王強研究員課題組發現，nkx2.5+咽區中胚層進一步分化為nkx2.5+ 和nkx2.5- 兩大細胞亞群，nkx2.5+細胞形成弓動脈，而nkx2.5的細胞發育形成連接弓動脈的腹主動脈，表明咽區中胚層存在著向弓動脈前體細胞分化的細胞命運決定過程（圖1）。
圖1. 細胞譜系追蹤揭示nkx2.5+細胞形成咽弓動脈，而nkx2.5-細胞發育為連接弓動脈的腹主動脈
通過共聚焦顯微鏡動態觀察，發現咽囊的形成與相應弓動脈前體細胞的出現在時間上保持一致，且兩者在咽區緊密相鄰。通過KalTA4-UAS-NTR系統，特異性誘導咽囊細胞凋亡導致弓動脈血管完全缺失，進一步檢測弓動脈前體細胞的分子標記，發現咽囊缺失導致弓動脈前體細胞不能形成。BMP信號胞內效應因子Smad1/5/8在弓動脈前體細胞中存在動態的磷酸化激活（圖2）。咽囊能分泌表達多種BMP，咽囊缺失後，咽區中胚層的BMP活性被顯著抑制。在缺失咽囊的胚胎中重新激活BMP信號，能很好地挽救弓動脈前體細胞特化的缺陷。有意思的是，BMP信號能夠調控cloche基因的表達。缺失cloche基因，nkx2.5+前體細胞喪失了向弓動脈血管分化的能力，轉而走向肌肉細胞的命運。因此，咽囊提供了一個合適的微環境，使得咽區中胚層細胞特化為弓動脈前體細胞。
圖2. BMP信號胞內效應因子Smad1/5/8在弓動脈前體細胞中存在動態的磷酸化激活
接下來，通過組織特異性敲降實驗和構建相關突變體，王強團隊發現來自咽囊的BMP2a/5是促進弓動脈前體細胞特化的主要微環境信號。因此，此項研究表明，咽囊在弓動脈發育過程中建立了一個前體細胞特化的微環境，對弓動脈發育具有直接且重要的作用。
此外，王強團隊之前的研究發現，咽區外胚層表達並分泌BMP2b蛋白，激活其相鄰的內胚層細胞內的BMP信號通路，致使內胚層細胞發生命運的轉化，特化為咽囊前體細胞（PLoS Genetics, 2019）；咽囊形成後，咽囊細胞表達分泌BMP蛋白，而miR-92a在咽區神經嵴細胞表達；mir-92a通過靶向BMP分泌型抑制因子noggin3，精密調節著Bmp信號活性，在咽部軟骨發育過程中起著重要的功能（Developmental Cell, 2013）；發現轉錄因子Dmrt2b特異表達在咽囊中，通過調控cxcl12b和crossveinless 2的表達，參與顱面神經嵴細胞的聚集、增殖和軟骨分化（Biology Open, 2018）；發現咽囊來源的PDGFαa和PDGFαb通過促進弓動脈成血管細胞增殖，引導弓動脈血管形成（Journal of Genetics ad Genomics, 2019）。這些研究，揭示了咽囊的起源和其通過組織間相互作用調控頭部組織器官發育的重要功能機制。
原文連結：
https://dev.biologists.org/content/early/2020/12/16/dev.192658
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來源：BioArtReports
1980-2020
原標題：《【學術前沿】Development丨王強團隊揭示咽囊在弓動脈前體細胞特化中的重要作用》
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