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文檔簡介

1、第7期錢光輝等:Wnt信號(hào)通路與后口動(dòng)物體軸的進(jìn)化發(fā)育#DOI: 10.3724/SP.J.1005.2011.00684Wnt信號(hào)通路與后口動(dòng)物體軸的進(jìn)化發(fā)育錢光輝,王義權(quán)廈門大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,廈門361005摘要:動(dòng)物體軸極性的建立和最初胚軸的形成涉及到一系列信號(hào)通路的調(diào)控,Wnt信號(hào)通路是其中一條十分保守的信號(hào)通路,并且Wnt/ &catenin信號(hào)通路中的關(guān)鍵成員早在海綿動(dòng)物中就有發(fā)現(xiàn),暗示這一信號(hào)通路相對(duì)于其他信號(hào)路徑來說可能是最早參與原始后生動(dòng)物體軸發(fā)育的信號(hào)通路之一,并且在體軸后端和腹部的發(fā)育及命運(yùn)分化方面發(fā)揮著重要作用。近年來 ,隨著體外功能實(shí)驗(yàn)體系的建立,人們發(fā)現(xiàn) W

2、nt信號(hào)通路中很多基因都不同程度地影響了早期胚軸的形成,例如wnt基因、母源性基因 性catenin以及一系列轉(zhuǎn)錄因子等。文章首先對(duì)參與后生動(dòng)物體軸發(fā)育的wnt基因家族的起源與進(jìn)化關(guān)系做一簡要分析,并進(jìn)一步就經(jīng)典的 Wnt/ p-catenin通路與后口動(dòng)物的海膽、文昌魚、斑馬魚、爪蟾和小鼠等類群體軸極性的建立乃至整個(gè)體軸形成方面的研究進(jìn)展做 一綜述。關(guān)鍵詞:動(dòng)物體軸;Wnt信號(hào)通路;p-catenin ;進(jìn)化;發(fā)育Wnt sig nali ng pathway and the Evo-Devo of deuterostome axisQIAN Gua ng-Hui, WANG Yi-Qua

3、nSchool of Life Sciences , Xiamen University , Xiamen 361005, ChinaAbstract:A series of signal transduction pathways have been found to regulate the polarity establishment and formationof animal primary body axis. Among them, Wnt signaling pathway is extremely conserved and several key components in

4、 the pathway have been identified in the demosponge lineage. This implies that it is one of the earliest pathways involved in the ancestral metazoan axis development and might play an important role in specification and development of posterior and ventral fate of animal axis. Recently, with the est

5、ablishment of functional experiments in vitro , the body plan formation has been found to be affected, in varying degrees, by many genes in the Wnt signaling pathway, such as members of wnt gene family, maternal gene pcatenin and some transcription factor encoding genes. In this review, we analyzed

6、the evolutionary origin of the wnt gene family involved in development of metazoan body plans, and then made a brief review on the roles of canonical Wnt/ pcatenin signaling in the polarity establishment and formation of primary body axis in diverse deu- terostomes including sea urchin, amphioxus, z

7、ebrafish, frog, and mouse.Keywords:animal body axis; Wnt signaling pathway; pcatenin ; evolution; development 1 *>94-2012 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights 第7期錢光輝等:Wnt信號(hào)通路與后口動(dòng)物體軸的進(jìn)化發(fā)育# 1 *>94-2012 China Academic Journal Electronic Publishing House. All

8、rights 第7期錢光輝等:Wnt信號(hào)通路與后口動(dòng)物體軸的進(jìn)化發(fā)育685收稿日期:2010- 12-25 ;修回日期:2011- 02-20基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào):30830023, 31071110)資助作者簡介:錢光輝,博士研究生,專業(yè)方向:動(dòng)物發(fā)育遺傳與分子進(jìn)化。E-mail: qianguanghui通訊作者:王義權(quán),博士,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向:動(dòng)物分子遺傳與進(jìn)化。E-mail: wangyq網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間:2011-5-23 16:53:35URL: http:/www.c nki. net/kcms/detail/11.1913.R.20

9、110523.1653.004.html動(dòng)物是如何建立并形成最初的體軸(Body planformation)是生命科學(xué)研究領(lǐng)域中一個(gè)重要的生物學(xué)基礎(chǔ)問題。對(duì)這個(gè)問題的回答有助于人們了解動(dòng) 物(包括人類)是如何從一個(gè)受精卵沿著前后軸(Anterior-posterior, AP)、背腹軸(Dorsal-ventral, DV) 和左右軸(Left-right, LR)發(fā)育成一個(gè)完整的個(gè)體,同 時(shí)分化出各種組織和器官。由于每個(gè)物種的胚胎發(fā) 育是適應(yīng)各自不同生活史或生境的一個(gè)復(fù)雜過程,所以有必要對(duì)各類動(dòng)物體軸形成機(jī)制進(jìn)行廣泛的比 較研究。迄今人們關(guān)于動(dòng)物體軸形成機(jī)制的認(rèn)識(shí)主 要來源于對(duì)線蟲、果蠅2

10、4、文昌魚5、斑馬魚6,7 以及爪蟾810和小鼠11等模式動(dòng)物的研究,在其他 類群中還鮮有報(bào)道。另一方面,不同動(dòng)物體軸形成 機(jī)制又有所不同,而在分子和細(xì)胞水平上廣泛比較 各類動(dòng)物早期的胚胎發(fā)育,有助于揭示胚軸形成機(jī) 制中的共同點(diǎn)和不同點(diǎn)。近年來,人們發(fā)現(xiàn)各種信 號(hào)通路諸如 TGF- Wnt、Nodal、Retinoic acid、FGF、 EGF等傳導(dǎo)路徑廣泛參與各類動(dòng)物體軸極性的建立 和胚軸的發(fā)育6, 1115,而Wnt信號(hào)通路及其與胚軸 形成機(jī)制的研究是其中的熱點(diǎn)之一。1 Wnt信號(hào)通路的發(fā)現(xiàn)最早對(duì) Wnt通路的了解源自于對(duì)致癌病毒和果 蠅發(fā)育機(jī)制的研究。Nusse等16用小鼠乳頭瘤病毒

11、(Mouse mammary tumor virus, MMTV) 誘導(dǎo)鼠產(chǎn)生乳 腺癌后發(fā)現(xiàn):MMTV常常固定整合于宿主染色體的 特定位置,激活該位點(diǎn)的基因,這一位點(diǎn)的基因因 此被命名為Int1 ,隨后發(fā)現(xiàn)這一基因與果蠅胚胎發(fā) 育基因wingless(wg)同源,而wg基因突變將導(dǎo)致成 年果蠅無翅,故將二者名稱簡并,并將該基因重新 命名為wnt1。此后人們一般將 wnt基因編碼產(chǎn)物所 介導(dǎo)的信號(hào)通路統(tǒng)稱為Wnt信號(hào)通路?,F(xiàn)已發(fā)現(xiàn) Wnt蛋白與細(xì)胞表面受體相互作用引 發(fā)一系列的胞內(nèi)應(yīng)答反應(yīng),并且此信號(hào)通路幾乎對(duì) 所有動(dòng)物的胚胎發(fā)育都至關(guān)重要。目前人們一般把 Wnt通路至少劃分為3個(gè)分支(圖1)1

12、7,包括:(1)經(jīng) 典Wnt通路,又稱 Wnt/ 3-catenin通路,此通路的主 要成員包括:細(xì)胞外因子(Wnt)、跨膜受體(Frizzled)、 胞質(zhì)蛋白(3-catenin)以及核內(nèi)轉(zhuǎn)錄因子(TCF)等一系 列蛋白。當(dāng)細(xì)胞外因子 Wnt與Frizzled(Frz)等受體 結(jié)合后,通過一系列胞質(zhì)蛋白的相互作用使 3-catenin蛋白在胞質(zhì)內(nèi)累積,并進(jìn)入核內(nèi)與核轉(zhuǎn)錄 因子TCF共同作用激活靶基因的轉(zhuǎn)錄;Wnt/JNK (Jun N-terminal Kinase)信號(hào)通路與果蠅中最初發(fā)現(xiàn) 的PCP(Planar cell polarity)通路有很大的重疊18,都涉及到Rho家族的小 G

13、蛋白(GTPase),包括Rac、 Cdc42、Rho以及下游蛋白激酶(JNK或Rho激酶) 的激活,此條通路中的Frizzled、Dishevelled及其它 蛋白通過不對(duì)稱分布和極化的蛋白定位共同建立細(xì) 胞極性,調(diào)控極性細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)等;3)Wnt/Ca 2+信號(hào)通 路首先在斑馬魚和爪蟾中發(fā)現(xiàn):19可能通過G蛋白 激活鈣/鈣調(diào)素依賴蛋白激酶II(Ca2+/calmodulin- depe nde nt protein kin ases II, CaMK II)和蛋白激酶C(Protein kinase C, PKC)導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi) Ca2+釋放而影 響細(xì)胞黏連和基因表達(dá)。在這3條信號(hào)通路中,經(jīng)典的

14、 Wnt/ 3catenin信 號(hào)路徑是參與體軸發(fā)育眾多信號(hào)系統(tǒng)中一條十分保 守的信號(hào)通路。目前已發(fā)現(xiàn)從兩胚層的海綿動(dòng)物、 刺胞動(dòng)物的水螅和??饺邔拥木€蟲、果蠅直至 哺乳動(dòng)物的體軸決定和發(fā)育均與這條信號(hào)通路有 關(guān)12, 15, 20, 21,其關(guān)鍵成員(Wnt、Fzd、SFRP、Axin、 APC、GSK3、3-catenin、Tcf等)在不同動(dòng)物類群中 均具有一定的同源性,但它們的直系同源基因并未 在比海綿動(dòng)物更早期的領(lǐng)鞭毛蟲(Choa noflagellate)和其它非后生動(dòng)物的真核生物中發(fā)現(xiàn),暗示此信號(hào)通路可能早在原始后生動(dòng)物起源之前就存在了,很可能是最早參與體軸發(fā)育的信號(hào)路徑之一。

15、相比之 下,在兩側(cè)對(duì)稱動(dòng)物中發(fā)現(xiàn)的另外兩條信號(hào)通路 Wnt/JNK(或PCP)和Wnt/Ca2+很可能是后來才形成 的,因?yàn)閰⑴c這兩條信號(hào)通路的關(guān)鍵直系同源基因 并沒有在海綿動(dòng)物基因組中發(fā)現(xiàn)22,暗示這兩條信號(hào)通路很可能是真后生動(dòng)物和海綿動(dòng)物分化之后才 產(chǎn)生的,這也是與動(dòng)物進(jìn)化歷程中體軸發(fā)育的復(fù)雜 性和多樣性增加相一致的。2 wnt基因家族的主要成員及其進(jìn)化關(guān)系wnt基因家族編碼產(chǎn)物為分泌型糖蛋白,氨基酸序列長度在350380左右,含有100多個(gè)保守的 氨基酸位點(diǎn)23。wnt1是wnt基因家族中第一個(gè)被發(fā) 現(xiàn)的,在隨后的研究中人們發(fā)現(xiàn)了更多的wnt成員,不同的wnt基因傾向于不同的信號(hào)路徑,在

16、胚胎發(fā) 育和成體組織中的作用也不盡相同24, 25。如圖2 所示,脊椎動(dòng)物wnt基因家族成員最多, 例如斑馬魚(Danio rerio )、爪蟾(Xenopus tropicalis)、 紅原雞(Gallus gallus )和人類(Homo sapiens )基因組 中已發(fā)現(xiàn)的 wnt成員分別至少有 27、24、20和19 1 *>94-2012 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights # HEREDITAS(Beijing) 2011第33卷© 1 94-2012

17、China Academic Jaumal Electronic ?uKisbing House. A1 righh reserved, http:ki.iidt# HEREDITAS(Beijing) 2011第33卷ishcvellcdKrenriFeii QPQC jWtiLLi-CiileiiinSK3BROCKR-CntcniiiiB-C'aWninJNK2? B-CialeninB<.!alenmCnfaDCytosolDegradatiotiNlcIcilsDestruct ion compk?tCytoskcletiemr ”r. n m r i-r .n.

18、9;i»n # nL £dl J LU I 斗QI Did LNu-JUN覺£亦B-Csienin /SL9 SA05/H-Cjiiemn y. -O.1 '- 1 c1j*-CyclinDIxMvcr*-Gene expression八円 r=>(ien« expression© 1 94-2012 China Academic Jaumal Electronic ?uKisbing House. A1 righh reserved, http:ki.iidt# HEREDITAS(Beijing) 2011第33卷©

19、 1 94-2012 China Academic Jaumal Electronic ?uKisbing House. A1 righh reserved, http:ki.iidt# HEREDITAS(Beijing) 2011第33卷圖1經(jīng)典的 Wnt/ p-catenin信號(hào)通路(左側(cè))、非經(jīng)典的 Wnt信號(hào)通路即 Wnt/Ca 2+(中間)和Wnt/JNK 通路(右側(cè))17VertebrateDeoterostomesBiltUeriaLumetaztiaHs iGg iXt 1 >r iWW2 H-nt32 2Wni!6H-ntAOtheroooTotal1920LI 0-

20、Bf ! Sp I【0 Icr iI Ir" iProloslorTiesCe vDni iTc iAnn i(liiCiiidarians'IF1111Hm iNv aAq n圖2后生動(dòng)物 wnt基因亞家族成員的分布情況Hs: Homo sapiens (人類),Gg: Gallus gallus (紅原雞),Xt: Xenopus tropicalis (爪蟾),Dr:Danio rerio (斑馬魚),Ci: Ciona intestinalis(海鞘),Bf: Bran-© 1 94-2012 China Academic Jaumal Electronic

21、 ?uKisbing House. A1 righh reserved, http:ki.iidt687 HEREDITAS(Beijing) 2011第33卷chiostom floridae (文昌魚),Sp: Strongylocentrotus purpuratus (海膽),Lg: Lottia gigantean (青螺),Ct: Capitella teleta (小頭蟲 ),Hr: Helobdella ro- busta(水蛭),Ce: Caenorhabditis elegans (線蟲),Dm: Drosophila melanogaster (果蠅),Tc: Tribo

22、lium castaneum (赤擬谷盜),Am : Apis mellifera (蜜 蜂),Hm: Hydra magnipapillata (水螅),Nv: Nematostella vectensis (???Aq: Amphimedon queenslandica (海綿),“指無基因組全序列,“指 wnt9或稱為wnt4/9基因,“I指wnt10或稱為 wnt9/10基因。© 1 94-2012 China Academic Jaumal Electronic ?uKisbing House. A1 righh reserved, http:ki.iidt689 HER

23、EDITAS(Beijing) 2011第33卷0.2圖3基于后生動(dòng)物的???、海膽、文昌魚、斑馬魚和人類等5個(gè)代表物種wnt基因氨基酸序列(wnta除外)構(gòu)建的NJ樹Bootstrap值為重復(fù)1 000次的檢驗(yàn)結(jié)果,氨基酸替代模型選擇泊松校正(Poisson correction),位點(diǎn)間的替代速率選用Gamma修正(y1.0),詳細(xì)物種信息和序列號(hào)見附表1。個(gè)26;在非脊椎后口動(dòng)物中,紫海膽(Strongylocen-trotus purpuratus 卜 文昌魚(Branchiostom floridae )和 海鞘(Cio na in test in alis )基因組分別至少含有112

24、7、1128-31 和10個(gè)32。比較分析發(fā)現(xiàn)所有后口動(dòng)物中除 海鞘和紫海膽以外均丟失了wnta基因,這種特異性基因丟失的現(xiàn)象僅在原索動(dòng)物和棘皮動(dòng)物中有過報(bào) 道,例如海鞘丟失 wnt1、wnt8和wnt16,文昌魚丟失 wnt2和wnt16,紫海膽丟失 wnt2和wnt11基因,也 就是說后口動(dòng)物還保留了絕大多數(shù)wnt基因家族成員,并且這些成員可能是后口動(dòng)物體軸形成所必須 的。在原口動(dòng)物兩大類群中,冠輪動(dòng)物(Lophotro-chozoan)的青螺(Lottia gigantean )、小頭蟲(Capitella teleta卜水蛭(Helobdella robusta )基因組中分別至少 含

25、有11、12、13個(gè)wnt成員33,而青螺和水蛭類均 丟失了 wnt8基因,這暗示了 wnt8亞家族成員在這兩 類動(dòng)物中是近期各自丟失造成的。與冠輪動(dòng)物相比,蛻皮動(dòng)物(Ecdysozoans基因組中丟失的wnt成員較多, 例如線蟲(Caenorhabditis elegans)、果蠅(Drosophila melanogaster)、赤擬谷盜 (Tribolium castaneum )、蜜 蜂(Apis mellifera )分別僅有 534、7、9、5 個(gè) wnt 基 因閃。在本文系統(tǒng)發(fā)生分析的12個(gè)亞家族成員中(圖3),其中僅有7個(gè)和3個(gè)亞家族成員能分別在果蠅和線蟲中找到其對(duì)應(yīng)的成員;在

26、六足類昆蟲赤擬 谷盜中也未發(fā)現(xiàn) wnt24和wnt16。原口動(dòng)物除蜜蜂 外,其它類群如軟體動(dòng)物、環(huán)節(jié)動(dòng)物和螯肢動(dòng)物的 蜘蛛(Achaearanea tepidariorum )36的基因組中均丟 失了 wnt3基因,說明原始的原口動(dòng)物中存在wnt3,但在大多數(shù)類群后期演化歷程中又丟失了。在兩胚層刺胞動(dòng)物 的???Nematostella vectensis)和 水螅 (Hydra magnipapillata )基因組中分別至少含有1437, 38 和11個(gè)38wnt基因家族成員;而在海綿動(dòng)物(Amp- himedon queenslandica中發(fā)現(xiàn)有 3 個(gè)成員(wntac)22。 由此可

27、見,高等哺乳動(dòng)物wnt基因家族成員并非最 近分化出來的,因?yàn)樵?2個(gè)亞家族成員中分別至少 有11和9個(gè)在??退;蚪M中就出現(xiàn)了(圖3)。實(shí)際上,由于在海綿動(dòng)物中已發(fā)現(xiàn)wnt基因家族成員,所以關(guān)于wnt基因家族的起源可以追溯到海綿 動(dòng)物和真后生動(dòng)物的最近共同祖先,這就暗示了wnt基因在原始后生動(dòng)物早期發(fā)育中就已獲得,很可能在6.5億年前即存在,比距今5.3億年前的 寒 武紀(jì)大爆發(fā)”至少要提前1億多年37, 39,說明wnt基 因在不同的動(dòng)物類群中經(jīng)歷了漫長的獨(dú)立演化歷 程。譬如wnt基因家族成員在從海綿動(dòng)物到刺胞動(dòng) 物長期的演化歷程中由于經(jīng)歷了復(fù)制和變異的積累,序列特征已經(jīng)發(fā)生了很大的變化,

28、使得海綿動(dòng)物 3 個(gè)wnt基因不能歸屬于任一個(gè)亞家族成員21, 22,而一系列的wnt基因倍增事件可能早在兩側(cè)對(duì)稱動(dòng)物 與刺胞動(dòng)物最近共同祖先分化之前就發(fā)生了(圖2),并且其功能在不同物種中可能已經(jīng)發(fā)生分化。例如 刺胞動(dòng)物的??哂蟹派錉畹陌l(fā)育體制,與脊椎動(dòng)物或其它兩側(cè)對(duì)稱動(dòng)物體軸的形成明顯不同,但是它們卻共享來自6億多年前的很多 wnt基因家族成 員(圖2,圖3)。目前,人們還并沒有在單細(xì)胞的真核 生物中發(fā)現(xiàn)wnt基因,但是在從單細(xì)胞祖先過渡到 多細(xì)胞動(dòng)物多樣性胚軸的形成當(dāng)中,wnt基因的出現(xiàn)很可能說明它們是體軸發(fā)育過程中最早扮演重要角 色的基因家族成員之一。此外,在注釋較好的基因組中,人們

29、還發(fā)現(xiàn)很 多wnt基因簇是緊密連鎖的26,例如果蠅的wnt1、 wnt6和wnt10緊密聯(lián)系在一起,均位于第2條染色 體27F位置上,并且轉(zhuǎn)錄方向也保持一致35;而在 人類基因組中,wnt1與wnt10b、wnt6與wnt10a分別 緊密連鎖,但它們各自位于12q13和2q35兩條不同的染色體上40。不 僅如此,wnt1 -wnt6-wnt10和 wnt9-wnt5-wnt7基因簇連鎖現(xiàn)象在其它兩側(cè)對(duì)稱動(dòng) 物中也有報(bào)道33,故此類基因簇可能代表了一類原 始的基因簇,而它們是否與hox基因簇類似,共同受制于上下游基因的調(diào)控從而控制體軸發(fā)育還不得 而知。3 Wnt信號(hào)與后口動(dòng)物體軸形成在經(jīng)典的Wn

30、t/ 3-catenin信號(hào)通路中,分泌型Wnt蛋白結(jié)合Frz受體,導(dǎo)致由GSK-3 APC和 Axin蛋白組成的復(fù)合物對(duì)3-catenin的降解作用減弱,這樣使得3-catenin得以積累并促使其進(jìn)入核內(nèi)與Tcf/Lef蛋白一起調(diào)控目的基因的轉(zhuǎn)錄17。由于無水 氯化鋰(Lithium chloride)可以抑制 GSK-3 3的活性, 因此常用它來上調(diào)胞質(zhì)內(nèi)3-catenin的濃度,異位激活(Ectopically activate)那些缺少其它可用基因干擾 (Genetic perturbation)方法來研究 3-catenin 的過表達(dá) 對(duì)體軸發(fā)育的影響。其次,胞外分泌型因子包括Fri

31、zzled-related蛋白家族成員(sFRPs),它們均含有 Cys區(qū)域,但缺少跨膜區(qū),因此能在細(xì)胞外結(jié)合 Wnt 配體,抑制 Wnt信號(hào)傳導(dǎo)17; Dickkopf-like 蛋白 (Dkk)是在組織者表達(dá)的分泌型蛋白,能抑制合子型 wnt基因以促進(jìn)前端頭部結(jié)構(gòu)的形成;Frzb和Cerberus 是分別在組織者和前端中內(nèi)胚層(Mese ndoderm)表達(dá)的分泌型因子,可以直接結(jié)合 Wnt配體抑制下游的 信號(hào)傳導(dǎo),從而間接促進(jìn)了前背部(Dorsoanterior)的 發(fā)育并抑制后端軀干和尾部的發(fā)育6,12??梢哉fWnt信號(hào)作為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)通路,每個(gè)成員在生物體內(nèi)都是 整體地發(fā)揮作用,但是由于

32、研究的局限性,目前關(guān)于 Wnt信號(hào)通路與后口動(dòng)物體軸發(fā)育的研究主要集中在 部分wnt基因家族成員 側(cè)如wnt3、wnt8和wnt11)以及 它們的抑制因子和3catenin等少數(shù)成員中41,42。3.1 海膽棘皮動(dòng)物體軸發(fā)育以海膽為最典型,由于海膽缺少可辨認(rèn)的頭尾軸,使得我們很難確定此類動(dòng)物 Wnt信號(hào)的方向性,所以關(guān)于海膽軸向的Wnt信號(hào)相關(guān)基因及其拮抗基因研究相對(duì)較少,但海膽在早期胚胎發(fā)育中具有明顯的動(dòng)-植物極方向。有報(bào)道稱 紫海膽(Strongylocentrotus purpuratus )中的 wnt8 禾口 3-catenin在16細(xì)胞期靠近植物極的小分裂球© 1 *&g

33、t;4-2012 China Academic Journal Electronic Publijihing House. All rights reserved, http:/'/ki.iidt第7期錢光輝等:Wnt信號(hào)通路與后口動(dòng)物體軸的進(jìn)化發(fā)育693(Micromeres)表達(dá),并且一直持續(xù)到60細(xì)胞期,揭示 植物極的wnt8調(diào)控中、內(nèi)胚層原腸的形成和分化43。 外胚層是從海膽的動(dòng)物極方向產(chǎn)生的,內(nèi)胚層和中胚層從植物極方向產(chǎn)生的,若Wnt信號(hào)被抑制將阻 止中、內(nèi)胚層的形成。此外,研究揭示3-catenin同 樣控制海膽動(dòng)-植物極軸向的極性44,并在植物極發(fā) 揮作用眄,

34、而3-catenin的過表達(dá)將導(dǎo)致植物極化的 胚胎44-46。實(shí)際上,3-catenin蛋白在早期動(dòng)、植物極 軸向極化方面的作用在其它很多動(dòng)物中均有報(bào)道,例如在水螅和???,3catenin蛋白主要定位在動(dòng) 物極,而在大多數(shù)兩側(cè)對(duì)稱動(dòng)物中則發(fā)生了顛倒,3catenin蛋白主要位于植物極12,47,48。3.2 文昌魚頭索動(dòng)物文昌魚位于脊索動(dòng)物門的基部49。目前已發(fā)現(xiàn)文昌魚至少含有11個(gè)wnt基因(圖2) 28 31,其中 8 個(gè)基因(wnt1、wnt36、wnt7b、wnt8 和 wnt11) 均在胚胎發(fā)育早期的體軸后端表達(dá)旳。此外,不同的wnt基因在不同時(shí)期表達(dá)的區(qū)域又略有差別,例如wnt3

35、和wnt11在原腸晚期體軸后端的中內(nèi)胚層和 外胚層表達(dá);而wnt8(文昌魚所有wnt基因中表達(dá)的 第一個(gè)合子型基因)在原腸開始形成的階段在整個(gè) 植物極板(Vegetal plate)表達(dá),此后僅局限在外胚層/ 中內(nèi)胚層的邊緣區(qū)域表達(dá),到原腸胚中期,wnt8背 部表達(dá)量的減弱可能與此時(shí)背腹軸的形成有關(guān)呵。在對(duì)文昌魚組織者基因進(jìn)化分析中也發(fā)現(xiàn):wnt基因的拮抗物,諸如 dkk1/2/4、dkk3、sfrp2-like 和 sfrp4 在前端表達(dá),而wnt基因本身在后端表達(dá),形成前 低后高的 Wnt信號(hào)濃度梯度,最終確定胚胎發(fā)育的 兩個(gè)末端區(qū)域,即前后軸形成5,50。關(guān)于3-catenin基因在文昌

36、魚體軸形成方面的功 能,實(shí)驗(yàn)證實(shí)在晚囊胚期以后用Li+處理文昌魚胚胎對(duì)文昌魚3-catenin過激活(Over activation),明顯引 起神經(jīng)板(Neural plate)的丟失和體軸發(fā)育的后部化 (Posteriorizatio n),而在晚囊胚期以前用Li+處理胚胎并未引起體軸發(fā)育的明顯變化51。這些均說明在脊索動(dòng)物早期的胚胎發(fā)育中,3catenin和wnt基因共 同作用,極化最初體軸的形成。3.3 斑馬魚經(jīng)典的Wnt信號(hào)通路在斑馬魚后部(Posterior)和腹部(Ventral)命運(yùn)的分化方面發(fā)揮重要作用。目前有關(guān)斑馬魚前后軸發(fā)育相關(guān)的wnt基因研究主要集中在wnt3和wnt8

37、上,已有報(bào)道稱 wnt8基因參與 到斑馬魚腹部和體軸后端發(fā)育52,53。在原腸形成過程 中,在腹部兩側(cè)邊緣檢測到 wnt8以及Wnt/ 3-catenin應(yīng) 答元件的強(qiáng)烈表達(dá)活性。若敲除或morpholino抑制wnt8基因的ORF(Open reading frame)即導(dǎo)致后腹部 (Ventro-posterior)結(jié)構(gòu)嚴(yán)重丟失,同時(shí)引起背部命運(yùn) 的擴(kuò)張53,若同時(shí)下調(diào)wnt3a和wnt8活性致使前背 部命運(yùn)的劇烈擴(kuò)張和體軸后部結(jié)構(gòu)的缺失54。如果在headless突變體(缺少Tcf3功能)的斑馬魚中過表 達(dá)wnt會(huì)導(dǎo)致前端發(fā)育的缺陷,即缺少眼睛、前腦和 中腦陰,并且抑制wnt基因會(huì)引起頭

38、部的增大,導(dǎo) 致后端發(fā)育缺陷,不能維持尾牙的生長及后端中胚 層的形成54, 56,57。斑馬魚wnt11突變體在原腸形成 時(shí)不 能進(jìn)行正常的形態(tài)發(fā)生運(yùn)動(dòng)(Morphogenetic movements),但是能形成正常的背腹軸58。已報(bào)道的研究均發(fā)現(xiàn)wnt基因主要在斑馬魚早期原腸胚、 尾牙期和體節(jié)期的后端表達(dá),而wnt基因的抑制物 (sfrps、cerberus、wif等)從尾牙期開始在前端神經(jīng)外 胚層表達(dá)6,53, 54。斑馬魚wnt拮抗物基因dkk1是母 源性3-catenin的早期靶基因,它在原腸形成期間的 背部邊緣(Dorsal margin)、卵黃合胞層(Yolk syncytial

39、 layer)表達(dá),并在脊索前板(Prechordal plate)中拮抗 經(jīng)典Wnt/ 3-catenin的腹部化和背部化命運(yùn)59,60。與爪蟾類似,斑馬魚的3catenin也是最為熟知 的母源性背部決定因子,在中囊胚轉(zhuǎn)換(Mid-blastula transition)后不久,3-catenin還激活一系列合子型基 因的表達(dá),并引發(fā)一系列信號(hào)傳遞,其中包括bozozok (又稱 aharma 禾口 ni euwkoid )、chord in、dkk1, squin t(sqt) 和FGF信號(hào),這些合子型基因大部分都有抑制腹部 化因子的活性。其次,母源性的3catenin在斑馬魚背腹軸形成中

40、也發(fā)揮重要作用,它在斑馬魚胚胎背部邊緣(Dorsal margin)卵裂球(Blastomeres)的核 內(nèi)積累61。 3catenin不對(duì)稱核定位(Nuclear local- izati on)是背腹軸形成早期的一個(gè)標(biāo)志,盡管最初幾 次的卵裂中并未觀察到3-catenin蛋白不對(duì)稱分布,但有報(bào)道揭示背腹軸不對(duì)稱現(xiàn)象可能在兩細(xì)胞胚胎 時(shí)就產(chǎn)生了。與爪蟾的胚胎類似,3-catenin過表達(dá)也 會(huì)導(dǎo)致斑馬魚第二體軸的形成62。此外,3-catenin抑制物過表達(dá)會(huì)降低背部基因的表達(dá),產(chǎn)生腹部化的胚胎63,這更明確了它在背部形成中的作用;同 時(shí)母源性ichabod和tokkaebi基因能破壞 ca

41、tenin 的核定位,同樣導(dǎo)致腹部化(Ventralized)的胚胎以及 前后軸結(jié)構(gòu)的缺失等64,65。3.4爪蟾在爪蟾胚胎中,原腸運(yùn)動(dòng)是一個(gè)中胚層和內(nèi)胚 層內(nèi)陷、外胚層外包的過程,結(jié)果導(dǎo)致原腸胚初期呈三層水平排列的胚層內(nèi)卷,并且由外到內(nèi)依次為外、中、內(nèi)胚層排列的管狀體腔,胚胎在此過程中顯示出前后軸向的結(jié)構(gòu)差異。在對(duì)爪蟾神經(jīng)外胚層 的研究得出:Wnt/ 3-catenin信號(hào)活性梯度可能作為 轉(zhuǎn)換生長原(Transforming morphogen)形成爪蟾的中 樞神經(jīng)系統(tǒng),而且 Wnt信號(hào)的增強(qiáng)能促進(jìn)神經(jīng)外胚 層細(xì)胞向后端分化12,其中wnt8是參與爪蟾中胚層 腹部兩側(cè)形成的一個(gè)主要的合子型

42、配體,抑制wnt8 基因表達(dá)會(huì)引起前背部結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展,包括前端頭部 增大,而尾部和軀干部將會(huì)減小。此外,有報(bào)道稱爪蟾母源性基因wnt11不對(duì)稱分布會(huì)引起背部卵裂球 中(3-catenin的積累66,所以母源性基因 wnt11在爪 蟾胚層的特化(Germ layer specification)、背腹軸的形 成和會(huì)聚延伸(Convergenee & extension)方面發(fā)揮重 要作用10。如原腸晚期,wnt基因在體軸后端發(fā)揮作用, 但其抑制劑在前端產(chǎn)生,核 p-catenin和Tcf-reporter 共同作用導(dǎo)致 Wnt蛋白形成從后向前的濃度梯度,位于該梯度域內(nèi)的細(xì)胞可能依據(jù)Wnt信

43、號(hào)的濃度梯度獲得前后軸身份的識(shí)別67,68。除了 wnt基因以外,母源性pcatenin在爪蟾施 佩曼組織者的形成中同樣發(fā)揮重要作用。受精以后,皮質(zhì)旋轉(zhuǎn)(Cortical rotation)促進(jìn)胚胎Nieuwkoop中心 的形成,并引起Wnt信號(hào)通路pcatenin蛋白定位到精 子入口處相反一側(cè),也就是胚胎背側(cè)的細(xì)胞核內(nèi)61,69, pcatenin在這個(gè)區(qū)域促進(jìn)背部組織者的形成。因此,原腸期之前任何干擾pcatenin基因的實(shí)驗(yàn)均會(huì)引起與組織者活性改變相關(guān)的缺陷,這種基因干擾的結(jié)果會(huì)對(duì)背腹軸形成產(chǎn)生影響,如早期對(duì) pcatenin的 抑制作用最終會(huì)破壞背部組織的形成70。中囊胚轉(zhuǎn)換之后,也就

44、是在合子型基因開始表達(dá)的時(shí)候,經(jīng)典信號(hào)通路中的pcatenin在前后軸模式形成中的作用更加顯著,所有破壞 pcatenin活性的實(shí)驗(yàn)均會(huì)影 響爪蟾前后軸和背腹軸的發(fā)育。3.5 小鼠Wnt/ 3-catenin信號(hào)在小鼠最初胚軸的產(chǎn)生和模 式形成中發(fā)揮多種功能,前端內(nèi)臟內(nèi)胚層(Visceral endoderm)(交配后5.5天形成)預(yù)示著未來體軸發(fā)育 的前端;原條(Primitive streak)(交配后6.5天開始形 成)是原腸開始形成的位點(diǎn)并指示著未來體軸后端 的極性12' 71。wnt基因的抑制物dkk1基因主要在前 端表達(dá)72,而wnt3、pcatenin和TCF應(yīng)答啟動(dòng)子在

45、 胚胎后端表達(dá)73,74 °wnt3a缺失的小鼠胚胎表型為體 節(jié)和后端身體結(jié)構(gòu)的減少或丟失75,同樣,wnt3和pcatenin敲除的小鼠不能形成原條73,76,即不能形 成胚胎發(fā)育的后端區(qū)域,而敲除wnt抑制物dkk1基 因則導(dǎo)致前端的缺失“。4展望總之,Wnt/ pcatenin信號(hào)通路是參與后口動(dòng)物 體軸發(fā)育的關(guān)鍵信號(hào)路徑之一,在動(dòng)物發(fā)育早期就 參與體軸最初的形成,緊接著在原腸期控制體軸后 腹部的生長。棘皮動(dòng)物、頭索動(dòng)物和脊椎動(dòng)物代表 物種的比較研究結(jié)果均表明后口動(dòng)物體軸發(fā)育后端 Wnt信號(hào)具有保守性,而動(dòng)物胚胎發(fā)生過程中一旦 缺失Wnt信號(hào),后腹部結(jié)構(gòu)的發(fā)育就有嚴(yán)重缺陷,僅形

46、成頭部和軀干前部。體軸后端Wnt信號(hào)和前端Wnt信號(hào)的抑制基因共同作用形成的濃度梯度可能 是調(diào)節(jié)大多數(shù)后口動(dòng)物前后軸形成的一個(gè)普遍現(xiàn)象 不過這一結(jié)論僅是基于對(duì)有限的幾種模式動(dòng)物的研 究結(jié)果,還有待于其它更多類群的研究進(jìn)一步驗(yàn) 證。隨著基因組測序技術(shù)的飛速發(fā)展以及基因功能 研究體系的建立(諸如Morpholinos、RNAi等)和轉(zhuǎn)基 因技術(shù)的廣泛應(yīng)用,今后人們將會(huì)對(duì)更多物種的體 軸發(fā)育進(jìn)行深入、全面的研究。必須指出的是,動(dòng)物體軸發(fā)育是受多條信號(hào)通路協(xié)同控制的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò) 調(diào)控過程。實(shí)際上,作為各類信號(hào)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)之一的 Wnt信號(hào)能夠依據(jù)不同的細(xì)胞內(nèi)環(huán)境調(diào)控一系列基 因的活性,它一旦被激活,具體有多少

47、靶基因參與 兩側(cè)對(duì)稱動(dòng)物體軸發(fā)育調(diào)控,以及這些基因在不同 類群中的作用是否具有時(shí)空保守性還不十分清楚,所以說進(jìn)一步深入探討Wnt信號(hào)及其與其它信號(hào)通路在控制體軸發(fā)育方面的協(xié)同作用將是今后研究的 著重點(diǎn)。我們相信隨著對(duì)各類動(dòng)物胚軸發(fā)育相關(guān)基因的功能研究,以及體軸發(fā)育數(shù)據(jù)的逐漸積累,通 過生物信息學(xué)方法構(gòu)建體軸發(fā)育信號(hào)通路(TGF-伙Wnt、Nodal、Retinoic acid、FGF、EGF 等)的 GRN (Gene regulatory networks)有望進(jìn)一步闡明動(dòng)物體軸 形成的分子機(jī)制。附錄:附表1見文章電子版(www.C)b 參考文獻(xiàn)(References):1 Bowerman

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