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科研进展

 

孟安明/陶庆华组合作发现“葫芦娃”基因,解决早期胚胎发育重大问题

 

  11月23日,生命中心PI孟安明实验室与陶庆华老师实验室合作在Science上在线发表了题为Maternal Huluwa dictates the embryonic body axis through ß-catenin in vertebrates的重量级文章(RESEARCH ARTICLE),文章发现母源因子huluwa (葫芦娃)可通过稳定ß-catenin信号诱导脊椎动物胚胎背侧组织中心和体轴的形成,这一工作是孟老师实验室几十年关注胚胎早期发育的众多文章中,又一很可能改写教科书的重要发现。

图1. A. 汉斯·斯佩曼和他的学生希尔德·曼戈尔德;B. 蝾螈移植实验:从无色素的蝾螈胚胎背侧移植至一个有色素的蝾螈腹侧;C.接受“组织中心”移植后的蝾螈长出第二个体轴。【2, 3】

  体轴(包括前-后、背-腹和左-右)的建立是生物个体图式建成的基础,也是胚胎早期发育过程中最重要的事件之一;其中背-腹轴的研究可以追溯到上世纪初,德国科学家汉斯·斯佩曼(Hans Spemann,1869~1941)和他的学生希尔德·曼戈尔德(Hilde Mangold, 1898~1924)利用蝾螈进行的移植实验(图1),他们发现当把蝾螈背侧的一部分组织移植至腹侧时,蝾螈被诱导出了第二个体轴,并且第二个体轴不仅含有供体细胞(无色素),也含有受体细胞(有色素),其他部位的组织并无此特性,因此他们把这部分组织称为“背侧组织中心”(Dorsal Organizer),斯佩曼也因此获得1935年的诺贝尔生理学奖(很遗憾曼戈尔德因于1924年去世未能获奖)【2, 3】。


 

  “背侧组织中心”如何形成因此成为背腹轴建立中的一个重要问题,吸引了全世界一代又一代发育生物学研究者的注意。目前公认的观点是ß-catenin信号在胚胎背侧的稳定、富集并进入细胞核内激活了一系列信号通路,最终激活组织中心基因如Chordin, Noggin和Goosecoid等的表达(图2,A);但母系来源的ß-catenin如何特异地在背侧被稳定仍存在一定的争议: 一种观点认为,卵子的植物极存在母系来源的Disheveled (Dsh)、GSK3-bingding protein (GBP)以及Wnt等蛋白,受精后这些分子会迁移至精子进入卵子位置的对侧,从而防止ß-catenin的降解【2, 4, 5】(图2,B),诱导“背侧组织中心”的形成,但也有报道称某些母系Wnt的突变体并未观察到明显早期背侧发育的问题【6】。

 

图2. A. 背侧组织中心的形成依赖于ß-catenin在背侧的稳定;B. ß-catenin在背侧被稳定并激活的经典模型,依赖于Dsh、GBP以及Wnt信号。【2】


  在该工作中,研究人员通过一个斑马鱼突变系 -“Huluwa”入手,在斑马鱼和爪蟾两种模式生物中均证明了ß-catenin在背侧被稳定的另外一种全新的机制。这个突变体在受精后24小时左右形状酷似葫芦(图3,A),因此,起初孟老师实验室幽默的称其为“葫芦”突变体,后改名为“葫芦娃”,当问及孟老师为何改名时,他风趣的开玩笑说90年代初刚回国时陪孩子看动画片“葫芦兄弟”,印象深刻,觉得“葫芦娃”比“葫芦”厉害,因此改名为“葫芦娃”。文章中也可以看到,作者们很认真的提供了动画片“葫芦娃”的维基百科链接(图3,B),这应该是第一个以中国动画人物命名的斑马鱼突变体,必须点个赞。

图3. A. “葫芦娃”突变体呈葫芦状;B. 动画片“葫芦兄弟”的维基百科网页。【1】


  “葫芦”形状的斑马鱼突变体是一种典型的严重“腹侧化”表型,因此作者推断这个突变体很可能是影响了一个决定背侧组织中心形成的重要基因,并将该基因定位于斑马鱼基因组第21号染色体,是一个母系来源的跨膜蛋白,命名为huluwa(简称“hwa”)。为了进一步证明其功能,作者把hwa的mRNA在32个细胞期分别注射在其中的两个细胞,发现hwa成功诱导出了两个斑马鱼的“背侧组织中心”和两个体轴(图4),并在爪蟾中证明hwa具有相同的功能。

图4. 32细胞期在两个细胞中分别注射hwa 的mRNA可诱导出两个组织中心及两个体轴。【1】

 

  如前所述,ß-catenin信号对背侧组织中心的形成起到重要的诱导作用,为了验证hwa是否通过ß-catenin信号行使其诱导背侧组织中心的功能,作者证实在“葫芦娃”突变体中注射hwa的mRNA可检测到ß-catenin在细胞核内的信号,并利用持续激活型的ß-catenin可一定程度恢复“葫芦娃”突变体的腹侧化表型;更重要的,当ß-catenin信号被沉默时,hwa不能再诱导背侧组织中心的基因如boz和chd的表达(图5),综上可以说明,hwa对于背侧组织中心的诱导作用依赖于ß-catenin信号。

图5.  背侧组织中心基因在ß-catenin敲低的胚胎中无法被hwa诱导表达。【1】

 

  接下来,作者发现在“葫芦娃”突变体中,之前报道的影响背侧组织中心形成的Wnt信号通路的相关成员如:wnt8a, ß-catenin2, axin1, axin2, dvl2, lrp5, lrp6, fzd3b, fzd5, fzd7b, andfzd8b等基因的mRNA表达水平并没有变化,证明即使是这些信号正常的情况下,如果hwa发生突变,背侧组织中心仍然不能形成;非常重要的是,在通过各种方式抑制Wnt信号的情况下,hwa仍然能够诱导背侧组织中中心的形成(图6),这充分证明了hwa的功能不依赖于Wnt信号通路,作者也证明了在爪蟾中存在相似的情况。如果不是通过Wnt信号通路,那么hwa是如何让ß-catenin稳定不被降解?Axin是已知的促进ß-catenin蛋白降解的重要因子,作者进一步的通过一系列的体内体外生化实验,证明Hwa可以通过与Axin直接结合促进其降解,而最终使ß-catenin在背侧稳定表达。最终的机制见图7的模式图,可以看到,图中作者们用了葫芦的形状来代表Hwa。

图6. 抑制Wnt信号不影响hwa对背侧组织中心的诱导功能。【1】


图7. Hwa对背侧组织中心诱导作用模式图。【1】


  综上便是“葫芦娃”如何通过与Axin结合使其降解,从而保护ß-catenin,并诱导背侧组织中心形成的故事,孟安明老师实验室与陶庆华老师实验室合作报道了一种不依赖于Wnt信号通路诱导组织中心形成的机制,对背腹决定这一古老而又重要的发育生物学问题为我们提供了一种全新的理解,对现有的教科书中的经典模型提出了挑战。此外,如作者们在文章中提到的那样,“葫芦娃”是否需要其他的分子协助其发挥作用,其迁移以及作用的具体机制是什么,还有待更进一步的研究,我们期待“葫芦娃”的续集更加精彩。


  据悉,孟安明院士和陶庆华教授为该项研究的共同通讯作者,清华大学生命学院博士生晏璐、博士后陈静和朱薛辰为共同第一作者。

 

参考文献

1. Lu Yan, Jing Chen, Xuechen Zhu, Jiawei Sun, Xiaotong Wu, Weimin Shen, Weiying Zhang, Qinghua Tao, Anming Meng. 2018. Maternal Huluwa dictates the embryonic body axis through β-catenin in vertebrates. Science.

2. Gilbert & Barresi. Developmental Biology, page 333-378. 11th edition.

3. Spemann, H. and H. Mangold. 1924. Induction of embryonic primordia by implantation of organizers from a different species. (Trans. V. Hamburger.) In B. H. Willier and J. M. Oppenheimer (eds.),Foundations of Experimental Embryology. Hafner, New York, pp. 144–184. Reprinted in Int. J. Dev. Biol. 45: 13–311.

4. Langdon, Y. G. and M. C. Mullins. 2011. Maternal and zygotic control of zebrafish dorsoventral axial patterning. Annu. Rev. Genet. 45: 357–377.

5. Larabell, C. A. and 7 others. 1997. Establishment of the dorsal-ventral axis in Xenopus embryos is presaged by early asymmetries in β-catenin which are modulated by the Wnt signaling pathway. J. Cell Biol. 136: 1123–1136.

 

6. Hino H. and 7 others. 2018. Roles of maternal wnt8a transcripts in axis formation in zebrafish. Dev Biol. 2018 Feb 1;434(1):96-107.

 

 




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