責編 | 酶美
動物胚胎如何由一個均一的卵裂球發育為具有頭尾、背腹和左右等不對稱特徵的胚胎，是發育生物學中一個重要的研究領域。為紀念創刊125周年，Science雜誌於2005年7月提出了125個重要的科學問題。上述胚胎不對稱性建立的機制，即屬於其中的科學問題之一。
左右不對稱（left-right asymmetry）在自然界中很常見的。例如，招潮蟹左右分別有一個大的和一個小的蟹鉗，而比目魚總是身體一側躺在海底。大多數脊椎動物雖然從外表看上去是左右對稱的，但心臟在發育過程中是不對稱環化的，並且最終定位在胸腔左側；左右肺也是由不同數目的肺葉組成的。在腹腔中，胃和胰腺位於左側，肝臟位於右側，而且腸道也是不對稱捲曲的（圖1）【1】。有意思的是，我們人類的腦部也表現出從結構和功能上的左右不對稱性。在胚胎發育過程中，左右不對稱缺陷有可能帶來嚴重的後果。內臟異位(Heterotaxy)是一類以隨機的內臟左右分布為特徵的遺傳疾病，發病率在1:10000作用。先天性心臟病的發病機率在內臟異位的病人中大大增加，尤其是大動脈的移位及室間隔的缺陷尤為常見【2，3】。
圖1. 人體內部的左右不對稱性。
目前，對於胚胎左右不對稱發育的機制已經有了初步的了解。起初，胚胎沿體軸中線進行左右對稱性發育。在體節期，脊索最末端出現了一個小的凹陷。組成這個凹陷的細胞均具有纖毛。這些纖毛有規律的擺動，使得凹陷內部的液體沿逆時針方向一圈又一圈的流動。如果液流停滯或變慢，將導致胚胎內臟器官的位置隨機性分布。因此，胚胎的這種凹陷結構被稱為左右組織者（left-right organizer）。在斑馬魚中，左右組織者是Kupffer’s vesicle， 簡稱KV【4-6】。KV起源於背部先驅者細胞（dorsal forerunner cell）。背部先驅者細胞是胚胎一群特化的細胞，在原腸胚期經歷劇烈的增殖，然後分化為具有纖毛的KV細胞。背部先驅者細胞增殖出現問題，經常伴隨著KV細胞纖毛生成缺陷【7，8】。但目前對細胞周期進程與纖毛形成之間的聯繫卻知之甚少。
2019年8月20日，中國科學院動物研究所膜生物學國家重點實驗室王強研究員團隊在PLoS Biology在線發表了題目為Chemokine signaling links cell cycle progression and cilia formation for left-right symmetry breaking的研究論文，揭示了在胚胎左右不對稱發育過程中，細胞周期調控纖毛形成的重要分子機制。
王強研究員團隊發現趨化因子受體Cxcr4a表達於斑馬魚背部先驅者細胞和KV細胞中。cxcr4a突變體的心臟和肝臟呈現明顯的隨機分布，表明其左右不對稱性發育出現問題。有趣的是，其配體Cxcl12a的突變體也具有類似的表型。隨後的研究揭示，cxcr4a突變體KV變小，細胞纖毛變短，並且KV內的液流停滯（圖2）。作者進一步確定了KV變小的原因，發現Cxcr4a通過調控ERK1/2磷酸化，促進細胞周期蛋白CyclinD1表達，加速背部先驅者細胞從G1期向S期轉換，在細胞增殖調控中發揮著關鍵作用。
圖2. Cxcr4a突變體KV較小，細胞纖毛變短，KV液流停滯。
有意思的是，作者發現在cxcr4a突變體中補充CyclinD1，不但細胞增殖得以恢復，細胞纖毛也可以正常形成，挽救了胚胎的左右不對稱發育缺陷。接下來，作者通過生化分析發現，Cyclin D1-CDK4/6複合體中的CDK4可以結合併磷酸化纖毛形成的關鍵轉錄因子Foxj1a，並確定了磷酸化位點為進化上保守的T102。CDK4對於Foxj1a蛋白T102的磷酸化，抑制了蛋白酶體對Foxj1a的降解，是KV細胞纖毛形成的必要條件。尤其值得注意的是，Foxj1a的降解與其泛素化修飾無關。Foxj1a通過直接與斑馬魚蛋白酶體19S調節亞基Psmd4b結合，進入蛋白酶體降解途徑。CDK4磷酸化Foxj1a蛋白T102位點，阻止了Foxj1a與Psmd4b相互作用，從而使得Foxj1a脫離了被降解的命運，促進細胞纖毛形成。
綜上所述，趨化因子Cxcl12b/Cxcr4a信號通路通過激活ERK1/2活性，調控下遊基因Cyclin D1表達。Cyclin D1-CDK4/6複合體一方面促進細胞增殖，另一方面磷酸化轉錄因子Foxj1a，增強其蛋白穩定性，促進細胞纖毛生成（圖3）。該研究不僅揭示了胚胎左右不對稱發育中細胞周期進程與纖毛形成之間關聯的分子機制，而且提示在胚胎的原腸期，背部先驅者細胞的增殖不僅為KV結構的建立提供了足夠數目的細胞，更是為下一階段KV細胞纖毛生成儲存了足夠多的Foxj1a蛋白。
圖3 . Cxcl12b/Cxcr4a信號通路調節細胞增殖及纖毛形成。
據悉，中國科學技術大學與中科院動物所聯合培養的博士研究生劉靜雯為論文第一作者，西南大學的朱成科副教授為共同第一作者。通訊作者為中國科學院動物研究所王強研究員和成都醫學院黃四洲副研究員。
王強博士，中國科學院動物研究所膜生物學國家重點實驗室研究員，主要以「細胞信號轉導與胚胎早期發育」為中心科學問題，以斑馬魚為主要模式動物，結合多種人及小鼠細胞系，深入探討重要信號通路在胚胎早期發育和組織器官形成中的功能和調控機制，以通訊作者身份在Developmental Cell、Nature Communications、Cell Research、PLoS Biology、PLoS Genetics、Journal of Neuroscience等國際主流雜誌發表多篇研究論文，擔任《中國實驗動物學報》及《中國比較醫學雜誌》副主編，中國細胞生物學學會發育生物學分會副會長，北京生物化學與分子生物學會青年委員會副主任，中國動物學會斑馬魚分會理事等學術職務。
主要參考文獻
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