对基膜在果蝇组织内的组装和机械作用的基因分析

Basement membranes (BMs) are polymers of highly conserved extracellular matrix (ECM) proteins that provide mechanical support to tissues. Multiple interactions among BM components have been mapped in vitro, but little evidence exists in vivo to show which of these interactions are crucial for BM assembly and regeneration. Due to their essential tissue support role, BMs and their components are important regulators of morphogenesis, cell signaling, wound healing, immune responses and tumor progression. Indeed, a wide array of human disorders results from defects in BM assembly or composition. Furthermore, my research and that of others has proved the role of the BM in exerting mechanical tension on Drosophila tissues. I hypothesize that changes in BM tension dictated by BM assembly and composition affect tissue development and growth. To test this main hypothesis, the research I propose here intends to ascertain the hierarchy of assembly of basement membrane components in vivo, determine the function of individual basement membrane components in maintaining mechanical tension and analyze the effects of mechanical tension in development, regeneration and tumors. This work will also explore the effects of mechanical tension in tissue development and growth, providing suitable genetic models in mechanobiology. Finally, results from this project may have broad implications for the understanding and treatment of diseases involving abnormal ECM accumulation.

基膜（basement membrane）是对组织起支持作用的高度保守的胞外基质蛋白的层状多聚体。目前几乎没有在体内条件下的证据来揭示基膜成分间的相互作用对基膜的形成和再生的重要性。因为基膜和其组成成分对组织支持的必要的作用，很大范围内的人类疾病都是由于基膜装配或组成的缺陷导致的。这些疾病包括由细胞外基质激增引起的异常纤维化综合症和由基膜元件及其修饰酶突变引起的许多先天性疾病。大量的研究表明基膜对果蝇组织产生机械拉伸的作用。我们推测由受基膜集合和位置调控的基膜张力的变化将会影响组织的发育和生长。我们拟利用果蝇的遗传学工具和转基因技术，确定体内基膜元件体内集合的顺序，探讨单独基膜元件在保持机械拉伸力的功能，分析机械拉伸力在发育、再生和肿瘤上的作用。这一研究将填补基膜的基础生物学知识中长期存在的断层，为力学生物学提供合适的基因模型。最终，此项目的结果将有利于细胞外基质的突增类疾病的理解和治疗。

基底膜（BM）是高度保守的细胞外基质蛋白（ECM）的聚合物，提供机械支持给组织。BM有四个主要组分，即IV型胶原蛋白，层粘连蛋白，巢蛋白，硫酸乙酰肝素蛋白聚糖串珠素。BM组分在体外形成高度交联的聚合物。虽然体外实验描述了BM组分的多个相互作用，但是几乎没有体内证据显示哪个相互作用对BM组装和再生起决定作用。因为它们必需的组织支持作用，BMs和BM组分在形态发生，细胞信号传导，创面愈合，免疫应答以及肿瘤发展中起重要调节作用。并且，BM组装或构成缺陷导致多种疾病，比如过多ECM聚集导致的纤维化，以及BM组分和修饰蛋白变异导致的许多影响皮肤、肾脏、眼睛、心血管系统、肌肉、软骨、骨骼、和其他结缔组织的先天性综合征。遗传冗余和缺乏合适的遗传工具阻碍了在体内研究BM组分的组装和在哺乳动物组织中的作用。但是，因为所有的四种BM主要成分在果蝇中都很保守，近年来果蝇已经成为研究BMs的有吸引力并简单的模型。此外，我和他人的研究证明了BM在果蝇组织中施加机械张力。果蝇体系中有力的遗传工具和转基因技术、进化保存、和少量遗传冗余都为研究BM组分的组装提供了宝贵的机会，并对机械张力在发育、再生、和肿瘤中的作用提供了宝贵的见解。我假设BM组装和构成决定的BM张力变化影响组织发育和生长。为了验证这一主要假设，我提出的研究旨在确定体内基底膜成分组装层次的研究，决定各个基底膜成分在保持机械张力方面的功能，并分析机械张力在发育中的作用。本项目支持的本实验室的研究已在果蝇中建立了纤维化模型(Zang‡, Ming‡, … , Pastor-Pareja#, 2015, eLIFE)，表征了Tango1在胶原蛋白分泌中的作用(Liu‡, Feng‡, … , Pastor-Pareja#, 2017, J Cell Biol)，揭示了组织生长中基底膜的作用(Ma, Cao, Dai & Pastor-Pareja#, 2017, Dev Cell)，并发现了IV型胶原蛋白的非BM作用(Dai, Ma, Feng & Pastor-Pareja#, 2017, Curr Biol)。