動物所揭示胚胎背腹軸發育穩定性的奧秘

　　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，即胚胎前後、背腹和左右體軸的建立，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。

　　中國科學院動物研究所膜生物學國家重點實驗室研究員王強研究組近年來在脊椎動物胚胎不對稱性建立的分子機制研究領域取得多項進展。在胚胎前後軸建立方面，發現染色體重塑複合體NURF最大的亞基BPTF在TGF-β信號下遊與Smad2結合，通過其染色體重塑活性調節核小體滑動，調控wnt8a的表達，促進後部中樞神經組織發育，揭示了Smad2通過募集BPTF，調控染色質的高級結構的新機制（Journal of Neuroscience, 2015）。在胚胎左右不對稱性建立方面，發現趨化因子Cxcr4a信號通路通過調控Cyclin D1表達，增強CDK4/6激酶活性，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，促進纖毛生成。該研究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，提示在胚胎的原腸期，背部先驅者細胞的增殖不僅為左右不對稱器官的建立提供了足夠數目的細胞，更為下一階段纖毛生成儲存了足夠多的Foxj1a蛋白（PLOS Biology, 2019）。在胚胎背腹軸建立方面，發現鳥核苷酸交換因子Net1通過激活Rho A家族的G蛋白，幹擾PAK1激酶二聚體的形成，激活其激酶活性，從而磷酸化Wnt信號下遊效應蛋白β-catenin 675位絲氨酸，在胚胎背部組織中心形成和背腹軸建立過程中發揮重要作用。此項研究揭示了在胚胎發育過程中，Net1所調控的β-catenin 675位絲氨酸的磷酸化修飾，是母源-合子轉換後β-catenin轉錄活性增強，激活下遊基因表達的必要條件（Cell Research, 2017）。

　　脊椎動物胚胎各組織的前體細胞沿著胚胎的背腹軸線分布，由於所處胚胎位置的不同，具有不同的發育命運。例如，以外胚層細胞為例，靠近背部的外胚層前體細胞將來發育成腦和脊髓等中樞神經系統組織器官，而靠近腹側的外胚層前體細胞則發育為皮膚及其附屬器官（毛髮、汗腺、皮脂腺等）。在魚類、兩棲類、鳥類和哺乳動物中陸續發現了背部組織中心的存在。母源Wnt/β-catenin信號通路是背部組織中心形成的初步決定因素，激活Chordin、Noggin等BMP信號抑制因子在胚胎背部表達並分泌。隨後，Chordin及Noggin等因子拮抗來自腹部的BMP 信號，使得BMP作為一種形態發生素，形成腹部濃度高、背部濃度低的濃度梯度，指導胚胎背腹軸的建立。儘管有一系列的BMP正、負調控因子被鑑定出來，但是產生和維持BMP濃度梯度的分子機制卻不清楚。

　　形態發生素濃度梯度的形成是一個動態過程，會受到自身的產生、擴散和降解的動力學影響。在胚胎發育過程中，這種濃度梯度的形成總是受到來自信號通路各個組分表達水平變化、溫度差異、胚胎大小不同，甚至細胞的不對等分裂等因素引起的波動。在胚胎背腹體軸建立中，有學者發現腹側的BMP信號對於背側的Chordin表達有抑制作用。因此，從理論上來講，BMP濃度梯度的微小變化，將導致嚴重的背腹命運缺陷。然而，把供體胚胎的Spemann組織者（爪蟾）或胚盾（斑馬魚）移植到BMP信號最強的腹部部位後，這些背部組織中心仍具有誘導形成第二體軸的能力；即使將囊胚期的爪蟾胚胎一切為二，背部一半仍可發育為個頭較小但有正常背腹體軸的胚胎；將雞胚的背部組織原條切除後，在繼續培養過程中原條會逐漸恢復；在哺乳動物中，犰狳的一個受精卵可以通過分裂，產生四個基因完全相同的正常後代。這些現象均表明胚胎背部軸形成存在自我調節體系，具有很強的穩定性。然而，胚胎背部軸穩定性的分子機制仍舊是發育生物學的一個長期未解之謎。

　　12月18日，王強研究組在Science Advances 在線發表了題目為The BMP ligand Pinhead together with Admp supports the robustness of embryonic patterning 研究論文，揭示了Pinhead和Admp協同抵抗BMP濃度梯度波動，維持胚胎背腹軸穩定性的替代機制（Alternative Mechanism）。

　　研究發現pinhead基因在原腸期特異地表達在斑馬魚胚胎腹部和側面的邊緣區域。過表達pinhead可以使胚胎背部組織減少，腹部組織增多，呈腹部化表型。進一步的研究表明，Pinhead是一種可分泌蛋白，能夠特異激活BMP信號下遊的Smad1/5/8，是一種尚未被鑑定的BMP配體。有意思的是，Pinhead和表達於胚胎背部的Admp具有高度相似的蛋白性質，除了具有BMP蛋白配體活性，還可以促進金屬蛋白酶介導的Chordin的降解。

　　出乎意料的是，缺失pinhead或admp的胚胎具有正常的BMP濃度梯度和背腹體軸，只有二者同時缺失才能導致非常明顯的背部化表型。作者通過深入分析發現，pinhead和admp基因之間存在著相互的轉錄抑制。pinhead缺失會導致admp的表達增加，反之亦然。pinhead缺失後admp表達的增加可以補償其功能，所以突變體沒有明顯的背腹缺陷。相反地，pinhead也可以補償admp的缺失，從而使背腹體軸穩定形成。因此，pinhead和admp這種「蹺蹺板」式的表達調控以及Pinhead和Admp蛋白的高度相似性，建立了一種「替代機制」來維持背腹分化穩態。

　　尤其值得注意的是，pinhead和admp是BMP/Smad信號通路的靶基因，其表達受BMP/Smad信號通路的抑制。如果pinhead或admp缺失，胚胎中的BMP信號暫時降低，另一個基因的表達隨之上升，重新建立BMP濃度梯度。更為重要的是，研究人員通過多種實驗發現，在胚胎中BMP濃度梯度發生波動時，pinhead和admp的表達隨之發生反向變化，緩衝BMP信號活性的動態波動，從而維持BMP濃度梯度和胚胎背腹體軸的穩定性。pinhead和admp的雙突變體胚胎喪失了對BMP濃度梯度波動的抵抗性，表明pinhead/admp和BMP信號之間的負反饋機制對背腹軸形成的穩定性至關重要。

　　綜上所述，Pinhead與Admp蛋白性質的相似性及其基因表達的相互抑制，使得其中一個基因的功能缺失，可以被另一個基因替代性補償；胚胎中BMP信號對pinhead和admp基因表達的抑制，致使pinhead和admp的表達根據BMP信號的變化反向增加或降低，從而抵抗BMP活性的波動，維持BMP濃度梯度。這種雙重保護機制，確保了胚胎背腹軸的發育穩態。此項研究揭示了對抗BMP濃度梯度波動的分子機制，提出了脊椎動物背腹軸發育穩定性的替代機制假說，推動了對胚胎發育穩態的深入理解。

　　動物所博士閆一芳為論文第一作者，通訊作者為王強。該項研究工作得到科技部、國家自然科學基金委員會和中科院戰略先導項目的資助。

　　論文連結

圖1. 爪蟾胚胎一切為二，背部一半可發育為個頭較小但有正常背腹體軸的胚胎（引自Bruno Reversade et al., 2005）

圖2 Pinhead是一種分泌型蛋白，其過表達導致胚胎嚴重腹部化

圖3 pinhead和admp 通過替代機制，協同抵抗BMP濃度梯度波動，維持胚胎背腹軸穩定性