動物胚胎如何由一個均一的卵裂球發(fā)育為具有頭尾、背腹和左右等不對稱特征的胚胎，即胚胎前后、背腹和左右體軸的建立，是發(fā)育生物學(xué)中一個重要的研究領(lǐng)域。為紀(jì)念創(chuàng)刊125周年，Science雜志于2005年7月提出了125個重要的科學(xué)問題。上述胚胎不對稱性建立的機(jī)制，即屬于其中的科學(xué)問題之一。

中國科學(xué)院動物研究所膜生物學(xué)國家重點實驗室研究員王強(qiáng)研究組近年來在脊椎動物胚胎不對稱性建立的分子機(jī)制研究領(lǐng)域取得多項進(jìn)展。在胚胎前后軸建立方面，發(fā)現(xiàn)染色體重塑復(fù)合體NURF最大的亞基BPTF在TGF-β信號下游與Smad2結(jié)合，通過其染色體重塑活性調(diào)節(jié)核小體滑動，調(diào)控wnt8a的表達(dá)，促進(jìn)后部中樞神經(jīng)組織發(fā)育，揭示了Smad2通過募集BPTF，調(diào)控染色質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)的新機(jī)制（Journal of Neuroscience, 2015）。在胚胎左右不對稱性建立方面，發(fā)現(xiàn)趨化因子Cxcr4a信號通路通過調(diào)控Cyclin D1表達(dá)，增強(qiáng)CDK4/6激酶活性，一方面促進(jìn)細(xì)胞增殖，另一方面磷酸化轉(zhuǎn)錄因子Foxj1a，增強(qiáng)其蛋白穩(wěn)定性，促進(jìn)纖毛生成。該研究揭示了胚胎左右不對稱發(fā)育中細(xì)胞周期進(jìn)程與纖毛形成之間關(guān)聯(lián)的分子機(jī)制，提示在胚胎的原腸期，背部先驅(qū)者細(xì)胞的增殖不僅為左右不對稱器官的建立提供了足夠數(shù)目的細(xì)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(fā)現(xiàn)鳥核苷酸交換因子Net1通過激活Rho A家族的G蛋白，干擾PAK1激酶二聚體的形成，激活其激酶活性，從而磷酸化Wnt信號下游效應(yīng)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(fā)揮重要作用。此項研究揭示了在胚胎發(fā)育過程中，Net1所調(diào)控的β-catenin 675位絲氨酸的磷酸化修飾，是母源-合子轉(zhuǎn)換后β-catenin轉(zhuǎn)錄活性增強(qiáng)，激活下游基因表達(dá)的必要條件（Cell Research, 2017）。

脊椎動物胚胎各組織的前體細(xì)胞沿著胚胎的背腹軸線分布，由于所處胚胎位置的不同，具有不同的發(fā)育命運(yùn)。例如，以外胚層細(xì)胞為例，靠近背部的外胚層前體細(xì)胞將來發(fā)育成腦和脊髓等中樞神經(jīng)系統(tǒng)組織器官，而靠近腹側(cè)的外胚層前體細(xì)胞則發(fā)育為皮膚及其附屬器官（毛發(fā)、汗腺、皮脂腺等）。在魚類、兩棲類、鳥類和哺乳動物中陸續(xù)發(fā)現(xiàn)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?jīng)Q定因素，激活Chordin、Noggin等BMP信號抑制因子在胚胎背部表達(dá)并分泌。隨后，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(tài)發(fā)生素，形成腹部濃度高、背部濃度低的濃度梯度，指導(dǎo)胚胎背腹軸的建立。盡管有一系列的BMP正、負(fù)調(diào)控因子被鑒定出來，但是產(chǎn)生和維持BMP濃度梯度的分子機(jī)制卻不清楚。

形態(tài)發(fā)生素濃度梯度的形成是一個動態(tài)過程，會受到自身的產(chǎn)生、擴(kuò)散和降解的動力學(xué)影響。在胚胎發(fā)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(dá)水平變化、溫度差異、胚胎大小不同，甚至細(xì)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(xué)者發(fā)現(xiàn)腹側(cè)的BMP信號對于背側(cè)的Chordin表達(dá)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(dǎo)致嚴(yán)重的背腹命運(yùn)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(qiáng)的腹部部位后，這些背部組織中心仍具有誘導(dǎo)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(fā)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后，在繼續(xù)培養(yǎng)過程中原條會逐漸恢復(fù)；在哺乳動物中，犰狳的一個受精卵可以通過分裂，產(chǎn)生四個基因完全相同的正常后代。這些現(xiàn)象均表明胚胎背部軸形成存在自我調(diào)節(jié)體系，具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性。然而，胚胎背部軸穩(wěn)定性的分子機(jī)制仍舊是發(fā)育生物學(xué)的一個長期未解之謎。

12月18日，王強(qiáng)研究組在Science Advances 在線發(fā)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(xié)同抵抗BMP濃度梯度波動，維持胚胎背腹軸穩(wěn)定性的替代機(jī)制（Alternative Mechanism）。

研究發(fā)現(xiàn)pinhead基因在原腸期特異地表達(dá)在斑馬魚胚胎腹部和側(cè)面的邊緣區(qū)域。過表達(dá)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(jìn)一步的研究表明，Pinhead是一種可分泌蛋白，能夠特異激活BMP信號下游的Smad1/5/8，是一種尚未被鑒定的BMP配體。有意思的是，Pinhead和表達(dá)于胚胎背部的Admp具有高度相似的蛋白性質(zhì)，除了具有BMP蛋白配體活性，還可以促進(jìn)金屬蛋白酶介導(dǎo)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(dǎo)致非常明顯的背部化表型。作者通過深入分析發(fā)現(xiàn)，pinhead和admp基因之間存在著相互的轉(zhuǎn)錄抑制。pinhead缺失會導(dǎo)致admp的表達(dá)增加，反之亦然。pinhead缺失后admp表達(dá)的增加可以補(bǔ)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(bǔ)償admp的缺失，從而使背腹體軸穩(wěn)定形成。因此，pinhead和admp這種“蹺蹺板”式的表達(dá)調(diào)控以及Pinhead和Admp蛋白的高度相似性，建立了一種“替代機(jī)制”來維持背腹分化穩(wěn)態(tài)。

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(dá)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(dá)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(fā)現(xiàn)，在胚胎中BMP濃度梯度發(fā)生波動時，pinhead和admp的表達(dá)隨之發(fā)生反向變化，緩沖BMP信號活性的動態(tài)波動，從而維持BMP濃度梯度和胚胎背腹體軸的穩(wěn)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(fù)反饋機(jī)制對背腹軸形成的穩(wěn)定性至關(guān)重要。

綜上所述，Pinhead與Admp蛋白性質(zhì)的相似性及其基因表達(dá)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(bǔ)償；胚胎中BMP信號對pinhead和admp基因表達(dá)的抑制，致使pinhead和admp的表達(dá)根據(jù)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(hù)機(jī)制，確保了胚胎背腹軸的發(fā)育穩(wěn)態(tài)。此項研究揭示了對抗BMP濃度梯度波動的分子機(jī)制，提出了脊椎動物背腹軸發(fā)育穩(wěn)定性的替代機(jī)制假說，推動了對胚胎發(fā)育穩(wěn)態(tài)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(qiáng)。該項研究工作得到科技部、國家自然科學(xué)基金委員會和中科院戰(zhàn)略先導(dǎo)項目的資助。

論文鏈接

圖1. 爪蟾胚胎一切為二，背部一半可發(fā)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(dá)導(dǎo)致胚胎嚴(yán)重腹部化

圖3 pinhead和admp 通過替代機(jī)制，協(xié)同抵抗BMP濃度梯度波動，維持胚胎背腹軸穩(wěn)定性

來源： 動物研究所