2024年4月2日上午，受北大-清华生命科学联合中心张蔚研究员邀请，德国科隆大学（University of Cologne）教授Siegfried Roth在生命科学学院邓祐才报告厅带来一场题为“Neonfunctionalization of Toll signaling: the evolution of dorsoventral axis formation in insects”的精彩报告。
在母体效应突变的筛选中发现了Toll信号，这些突变破坏了果蝇幼虫体轴的形成。Toll是一种跨膜受体，并在向胚胎传递空间信息中占据中心地位，从而影响胚胎背腹（DV）轴（图一）。许多实验室对Toll信号及其靶基因的研究，以及对卵产生过程中DV极性建立的研究，已经建立了最容易理解的发育模式之一。特别是，在早期胚胎中响应 Toll 信号转导而建立的Dorsal/NF-κB 的梯度成为以浓度依赖性方式控制细胞形态的范式。仅这一点就为研究昆虫体内DV模式的演化提供了极好的理由。面对不同昆虫谱系中卵巢类型、蛋壳生态和胚胎发育模式的重大变化，这个涉及卵子发生、蛋壳和胚胎的复杂多层网络是如何演化的？此外。在发现Toll的发育功能十多年后，Toll被证明参与果蝇、人类和小鼠的病原体防御。这些发现对昆虫和哺乳动物的先天免疫的分子理解产生了深远的影响，使得2011年将诺贝尔生理学或医学奖授予Jules Hoffmann和Bruce Beutler。随后的工作表明，Toll在先天免疫中的作用在后生动物门中广泛保守。然而，到目前为止，仅在昆虫中发现Toll参与背腹轴形成。
Siegfried Roth教授课题组在对不同分类阶元动物的研究分析中发现Toll信号仅在昆虫中与BMP信号一起参与背腹轴的形成。对昆虫纲不同类群的物种进一步分析发现，Nasonia属金小蜂与Gryllus属蟋蟀具有与果蝇差异较大的BMP和Toll信号分布。基于母体RNAi与原位杂交，Siegfried Roth教授课题组对这两个类群的物种背腹轴形成进行了进一步的研究，并基于研究结果构建了与昆虫背腹轴形成相关信号的数学模型。Siegfried Roth教授课题组的一系列研究证明，在果蝇中发现的情况是演化的结果。在这个过程中，Toll主要取代了在祖先背腹轴分化具有主导功能的BMP系统的作用。这可能在不同的昆虫谱系中独立发生，并可能始于Toll为昆虫卵和早期胚胎提供的祖先免疫功能。
果蝇的背腹轴形成：从卵巢到胚胎
Siegfried Roth教授由果蝇卵巢及胚胎的背腹轴引入，介绍了背腹轴形成的不同机制及昆虫背腹轴分化相关研究背景。图一左侧果蝇卵室的横截面显示，卵泡上皮围绕着卵母细胞，卵母细胞核（绿色）位置不对称。从不对称定位的卵母细胞核到卵泡细胞的信号传导导致编码磺基转移酶的pipe受到抑制（蓝色）。卵泡细胞分泌内层（卵黄膜）和外层（绒毛膜）蛋壳。右侧果蝇胚胎的横截面显示，腹侧卵黄膜含有具有硫酸化多糖侧链的蛋白质（Pipe domain，蓝色）。在这里，一个蛋白水解级联反应被激活，导致卵周间隙产生Toll配体C-Spätzle（C-Spz，红色）。C-Spz 结合并激活Toll受体（浅蓝色）。Toll受体是一种均匀分布在胚胎质膜上的跨膜蛋白。Toll信号转导导致 Dorsal/NF-κB（紫色）的核输入。
图一，果蝇的背腹轴形成:从卵巢到胚胎。1
Toll信号在昆虫基部的BMP背腹轴决定模式基础上演化而来
在经过对多个分类阶元的动物的调查研究，Siegfried Roth教授课题组发现BMP在DV轴形成中的作用是高度保守的，无论是在昆虫内部还是昆虫外部，在蜘蛛，涡虫，棘皮动物和脊椎动物中都是如此。而对于Toll信号，仅在昆虫中参与背腹轴的形成。在昆虫外的动物类群中，Toll信号主要在免疫中发挥作用。昆虫外BMP信号的保守性表明，Toll信号被整合到昆虫基部的一个基于BMP背腹轴决定模式中。
图二，BMP及Toll信号在不同动物类群中的功能。
Toll信号在昆虫内部的背腹轴形成中存在差异
DV轴的形成，在整个昆虫演化过程中较为稳定。这反映在DV基因调控网络（GRN）的某些分子特征中：（a）果蝇中Toll信号传导的关键靶基因，如TFs Twist（Twi）和Single minded（Sim），在迄今为止研究的所有昆虫的形态发生中都是保守的。（b）BMP信号传导对于昆虫胚胎背侧形成的影响是保守的。但是，Siegfried Roth教授课题组的研究发现，在不同的昆虫类群中，Toll信号参与背腹轴形成存在差异（图三）。其中，Gryllus属蟋蟀的Toll和BMP背腹轴调控模式与果蝇相似，Nasonia属金小蜂与Oncopeltus属长蝽具有与果蝇差异较大的BMP和Toll信号分布。Siegfried Roth教授课题组使用母本RNAi降低Toll信号的表达，结果发现除了Nasonia属金小蜂外，其他昆虫研究类群的胚胎均发育为背侧外胚层。降低BMP信号的表达，结果发现Oncopeltus属长蝽的胚胎均发育为应该在腹侧的中胚层，Nasonia属金小蜂的腹侧大部分同样如此。
图三，昆虫背腹轴决定模式的演化。1
Nasonia属金小蜂中Toll信号的作用大大降低
由于Nasonia属金小蜂的BMP和Toll背腹轴决定机制与果蝇大不相同，Siegfried Roth教授课题组对其进行了进一步研究，对Nasonia和果蝇DV模式基因表达的综合比较分析揭示了原肠胚形成前不久细胞胚层阶段的惊人相似之处（图四）。然而，在原肠胚形成过程中，表达模式的出现方式和随后的事件是非常不同的。腹侧基因如twi、sna和sim的表达最初是在横跨腹侧中线（胚胎周长的5%）的一个离散的窄条纹中开始的，后来才扩展形成跨越胚胎周长20%的最终区域。这与果蝇明显不同，后者的最终图案不是扩展狭窄条纹的结果。在沿腹中线狭窄表达域的同时，许多基因在沿背中线狭窄表达域表达。前者是果蝇的典型Toll靶点，而后者的基因如zen、race、hnt、doc和tup是果蝇的典型BMP靶点。
图四，Drosophila和Nasonia背腹轴决定基因表达的比较分析。1
为进一步探查两者的背腹轴决定模式的差异，Siegfried Roth教授课题组采用twi、brk和zen的多重原位杂交技术来全局观察Nasonia胚胎的DV轴。在Nasonia中的Toll pRNAi胚胎显示twi表达完全缺失（图五）。这表明Toll至少在诱导最腹侧细胞命运中具有保守作用。然而，所有Nasonia的Toll pRNAi胚胎仍然高度极化，具有正常的zen和brk表达的背缘。此外，Nasonia的Toll pRNAi胚胎中的腹侧扩张brk，表明brk独立于Toll信号传导而被激活，这与早期果蝇brk对Toll的完全依赖性形成鲜明对比。这些数据表明，与果蝇相比，Nasonia的Toll的图案化作用大大降低。
图五，Nasonia及Drosophila胚胎的RNAi对比结果。A-D为Nasonia结果。2
Oncopeltus属长蝽中Toll确实不再是中胚层形成所必需的
除此之外，Siegfried Roth教授还向大家简要介绍了对Oncopeltus属长蝽背腹轴发育的研究（图六），以及六足动物胚胎角质层形成和胚外膜的演化史。在Oncopeltus属长蝽中Toll只需要极化动态BMP信号网络。数学模型表明，该网络具有自调节特性，浅层Toll信号梯度足以启动轴的形成。这种梯度可以解释实验观察到的昆虫胚胎在卵破碎后的孪生现象（图七），并且可能是从与保护虫卵免受病原体侵害有关的Toll状态演化而来的。
图六，sog RNAi导致Oncopeltus属长蝽胚胎的完全背侧化。3
图七，基于数学模型解释Euscelis卵破碎后的孪生现象。3
Roth教授的此次演讲，详细讲述了使用RNAi、原位杂交和数学建模等方法研究Toll信号的新功能，即参与昆虫背腹轴形成的演化过程，并对比分析了Toll信号在Drosophila、Nasonia和Oncopeltus中参与背腹轴形成的功能差异。
