動(dòng)物胚胎如何由一個(gè)均一的卵裂球發(fā)育為具有頭尾、背腹和左右等不對(duì)稱(chēng)特征的胚胎，是發(fā)育生物學(xué)中一個(gè)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(gè)重要的科學(xué)問(wèn)題。上述胚胎不對(duì)稱(chēng)性建立的機(jī)制，即屬于其中的科學(xué)問(wèn)題之一。

左右不對(duì)稱(chēng)（left-right asymmetry）在自然界中很常見(jiàn)的。例如，招潮蟹左右分別有一個(gè)大的和一個(gè)小的蟹鉗，而比目魚(yú)總是身體一側(cè)躺在海底。大多數(shù)脊椎動(dòng)物雖然從外表看上去是左右對(duì)稱(chēng)的，但心臟在發(fā)育過(guò)程中是不對(duì)稱(chēng)環(huán)化的，并且最終定位在胸腔左側(cè)；左右肺也是由不同數(shù)目的肺葉組成的。在腹腔中，胃和胰腺位于左側(cè)，肝臟位于右側(cè)，而且腸道也是不對(duì)稱(chēng)卷曲的（圖1）【1】。有意思的是，我們?nèi)祟?lèi)的腦部也表現(xiàn)出從結(jié)構(gòu)和功能上的左右不對(duì)稱(chēng)性。在胚胎發(fā)育過(guò)程中，左右不對(duì)稱(chēng)缺陷有可能帶來(lái)嚴(yán)重的后果。內(nèi)臟異位 (Heterotaxy) 是一類(lèi)以隨機(jī)的內(nèi)臟左右分布為特征的遺傳疾病，發(fā)病率在1:10000作用。先天性心臟病的發(fā)病幾率在內(nèi)臟異位的病人中大大增加，尤其是大動(dòng)脈的移位及室間隔的缺陷尤為常見(jiàn)【2，3】。

圖1. 人體內(nèi)部的左右不對(duì)稱(chēng)性。

目前，對(duì)于胚胎左右不對(duì)稱(chēng)發(fā)育的機(jī)制已經(jīng)有了初步的了解。起初，胚胎沿體軸中線(xiàn)進(jìn)行左右對(duì)稱(chēng)性發(fā)育。在體節(jié)期，脊索最末端出現(xiàn)了一個(gè)小的凹陷。組成這個(gè)凹陷的細(xì)胞均具有纖毛。這些纖毛有規(guī)律的擺動(dòng)，使得凹陷內(nèi)部的液體沿逆時(shí)針?lè)较蛞蝗τ忠蝗Φ牧鲃?dòng)。如果液流停滯或變慢，將導(dǎo)致胚胎內(nèi)臟器官的位置隨機(jī)性分布。因此，胚胎的這種凹陷結(jié)構(gòu)被稱(chēng)為左右組織者（left-right organizer）。在斑馬魚(yú)中，左右組織者是Kupffer’s vesicle， 簡(jiǎn)稱(chēng)KV【4-6】。KV起源于背部先驅(qū)者細(xì)胞（dorsal forerunner cell）。背部先驅(qū)者細(xì)胞是胚胎一群特化的細(xì)胞，在原腸胚期經(jīng)歷劇烈的增殖，然后分化為具有纖毛的KV細(xì)胞。背部先驅(qū)者細(xì)胞增殖出現(xiàn)問(wèn)題，經(jīng)常伴隨著KV細(xì)胞纖毛生成缺陷【7，8】。但目前對(duì)細(xì)胞周期進(jìn)程與纖毛形成之間的聯(lián)系卻知之甚少。

2019年8月20日，中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所膜生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王強(qiáng)研究員團(tuán)隊(duì)在PLoS Biology在線(xiàn)發(fā)表了題目為Chemokine signaling links cell cycle progression and cilia formation for left-right symmetry breaking的研究論文，揭示了在胚胎左右不對(duì)稱(chēng)發(fā)育過(guò)程中，細(xì)胞周期調(diào)控纖毛形成的重要分子機(jī)制。

王強(qiáng)研究員團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)趨化因子受體Cxcr4a表達(dá)于斑馬魚(yú)背部先驅(qū)者細(xì)胞和KV細(xì)胞中。cxcr4a突變體的心臟和肝臟呈現(xiàn)明顯的隨機(jī)分布，表明其左右不對(duì)稱(chēng)性發(fā)育出現(xiàn)問(wèn)題。有趣的是，其配體Cxcl12a的突變體也具有類(lèi)似的表型。隨后的研究揭示，cxcr4a突變體KV變小，細(xì)胞纖毛變短，并且KV內(nèi)的液流停滯（圖2）。作者進(jìn)一步確定了KV變小的原因，發(fā)現(xiàn)Cxcr4a通過(guò)調(diào)控ERK1/2磷酸化，促進(jìn)細(xì)胞周期蛋白CyclinD1表達(dá)，加速背部先驅(qū)者細(xì)胞從G1期向S期轉(zhuǎn)換，在細(xì)胞增殖調(diào)控中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

圖2. Cxcr4a突變體KV較小，細(xì)胞纖毛變短，KV液流停滯。

有意思的是，作者發(fā)現(xiàn)在cxcr4a突變體中補(bǔ)充CyclinD1，不但細(xì)胞增殖得以恢復(fù)，細(xì)胞纖毛也可以正常形成，挽救了胚胎的左右不對(duì)稱(chēng)發(fā)育缺陷。接下來(lái)，作者通過(guò)生化分析發(fā)現(xiàn)，Cyclin D1-CDK4/6復(fù)合體中的CDK4可以結(jié)合并磷酸化纖毛形成的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子Foxj1a，并確定了磷酸化位點(diǎn)為進(jìn)化上保守的T102。CDK4對(duì)于Foxj1a蛋白T102的磷酸化，抑制了蛋白酶體對(duì)Foxj1a的降解，是KV細(xì)胞纖毛形成的必要條件。尤其值得注意的是，F(xiàn)oxj1a的降解與其泛素化修飾無(wú)關(guān)。Foxj1a通過(guò)直接與斑馬魚(yú)蛋白酶體19S調(diào)節(jié)亞基Psmd4b結(jié)合，進(jìn)入蛋白酶體降解途徑。CDK4磷酸化Foxj1a蛋白T102位點(diǎn)，阻止了Foxj1a與Psmd4b相互作用，從而使得Foxj1a脫離了被降解的命運(yùn)，促進(jìn)細(xì)胞纖毛形成。

綜上所述，趨化因子Cxcl12b/Cxcr4a信號(hào)通路通過(guò)激活ERK1/2活性，調(diào)控下游基因Cyclin D1表達(dá)。Cyclin D1-CDK4/6復(fù)合體一方面促進(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)細(xì)胞纖毛生成（圖3）。該研究不僅揭示了胚胎左右不對(duì)稱(chēng)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，而且提示在胚胎的原腸期，背部先驅(qū)者細(xì)胞的增殖不僅為KV結(jié)構(gòu)的建立提供了足夠數(shù)目的細(xì)胞，更是為下一階段KV細(xì)胞纖毛生成儲(chǔ)存了足夠多的Foxj1a蛋白。

圖3 . Cxcl12b/Cxcr4a信號(hào)通路調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖及纖毛形成。

據(jù)悉，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)與中科院動(dòng)物所聯(lián)合培養(yǎng)的博士研究生劉靜雯為論文第一作者，西南大學(xué)的朱成科副教授為共同第一作者。通訊作者為中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所王強(qiáng)研究員和成都醫(yī)學(xué)院黃四洲副研究員。

王強(qiáng)博士，中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所膜生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員，主要以“細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)與胚胎早期發(fā)育”為中心科學(xué)問(wèn)題，以斑馬魚(yú)為主要模式動(dòng)物，結(jié)合多種人及小鼠細(xì)胞系，深入探討重要信號(hào)通路在胚胎早期發(fā)育和組織器官形成中的功能和調(diào)控機(jī)制，以通訊作者身份在Developmental Cell、Nature Communications、Cell Research、PLoS Biology、PLoS Genetics、Journal of Neuroscience等國(guó)際主流雜志發(fā)表多篇研究論文，擔(dān)任《中國(guó)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物學(xué)報(bào)》及《中國(guó)比較醫(yī)學(xué)雜志》副主編，中國(guó)細(xì)胞生物學(xué)學(xué)會(huì)發(fā)育生物學(xué)分會(huì)副會(huì)長(zhǎng)，北京生物化學(xué)與分子生物學(xué)會(huì)青年委員會(huì)副主任，中國(guó)動(dòng)物學(xué)會(huì)斑馬魚(yú)分會(huì)理事等學(xué)術(shù)職務(wù)。

制版人：珂

1. Grimes DT, Burdine RD, Left-Right Patterning: Breaking Symmetry to Asymmetric Morphogenesis. Trends in genetics, 2017. 33(9): p. 616-28.

2. Kennedy, M.P., et al., Congenital heart disease and other heterotaxic defects in a large cohort of patients with primary ciliary dyskinesia. Circulation, 2007. 115(22): p. 2814-21.

3. Shiraishi, I. and H. Ichikawa, Human heterotaxy syndrome - from molecular genetics to clinical features, management, and prognosis. Circ J, 2012. 76(9): p. 2066-75.

4. Essner, J.J., et al., Kupffer's vesicle is a ciliated organ of asymmetry in the zebrafish embryo that initiates left-right development of the brain, heart and gut. Development, 2005. 132(6): p. 1247-60.

5. Matsui, T. and Y. Bessho, Left-right asymmetry in zebrafish. Cell Mol Life Sci, 2012. 69(18): p. 3069-77.

6. Roussigne, M., P. Blader, and S.W. Wilson, Breaking symmetry: the zebrafish as a model for understanding left-right asymmetry in the developing brain. Dev Neurobiol, 2012. 72(3): p. 269-81.

7. Gokey JJ, Dasgupta A, Amack JD, The V-ATPase accessory protein Atp6ap1b mediates dorsal forerunner cell proliferation and left-right asymmetry in zebrafish. Developmental biology, 2015. 407(1): p. 115-30.

8. Zhang M, Zhang J, Lin SC, Meng A, beta-Catenin 1 and beta-catenin 2 play similar and distinct roles in left-right asymmetric development of zebrafish embryos. Development, 2012. 139(11): p. 2009-19.