咽囊调控弓动脉发育稳态的分子机制

Aortic arch arteries are symmetrical pairs of blood vessels connecting the heart with dorsal aortae during vertebrate embryonic development. Aberrant PAA developmental homeostasis results in vascular defects frequently observed in patients with lethal congenital heart diseases. However, there are a great deal of disputes regarding the developmental process of aortic arch arteries. Taking the advantage of the live embryo imaging during zebrafish development, cell lineage tracing experiments were performed in the preliminary work of the current project. We find that endothelial progenitors in the heart field migrate toward the pharyngeal region and assemble into a cell cord. Then some endothelial progenitors successively migrate out of the pharyngeal cell cord and develop into several aortic arch artery buds. These buds ultimately bloom into functional aortic arch arteries through cell proliferation, migration and differentiation processes. Importantly, our data also reveal that the pharyngeal pouches, which form by budding of the foregut endoderm, are essential for the morphogenesis of aortic arch arteries. Using our unique research platform, we will focused on the functional mechanism of pharyngeal pouches in regulating cell proliferation, migration and differentiation during aortic arch artery development. Our study will identify the origin of endothelial progenitors giving rise to the aortic arch arteries and elucidate the molecular mechanisms of pharyngeal pouch-mediated regulation of developmental homeostasis during aortic arch artery formation, which is important for understanding of the related congenital heart diseases.

弓动脉是脊椎动物胚胎发育时期连接心脏和背主动脉的血管，其发育稳态缺陷与先天性心血管疾病密切相关。然而，关于弓动脉细胞的起源、弓动脉血管的形成及分子调控机制等重要的科学问题存在着大量争论。在本项目前期研究工作中，我们利用斑马鱼在活体胚胎成像方面的优势，通过在活体胚胎中的细胞谱系观测和追踪，初步发现心区侧板中胚层细胞迁移至咽区形成细胞索；咽区细胞索“出芽”，形成弓动脉原基；弓动脉原基进一步增殖、迁移、分化，形成弓动脉。更为重要的是，来自内胚层的咽囊对于弓动脉原基的发育具有不可替代的重要作用。本项目将充分利用我们独具特色的研究平台，结合体内体外的功能研究，对咽囊通过表达并分泌关键信号分子，激活下游信号通路，调控弓动脉原基发生、增殖、迁移和分化的分子机制进行系统深入的研究，不仅将在弓动脉发育稳态的分子调控网络方面取得原始创新性的重要进展，还将为理解相关疾病发生发展的分子机理提供坚实的基础。

弓动脉，是脊椎动物胚胎连接心脏与背主动脉的唯一通道，为胚体血液循环的重要组成部分。尽管弓动脉血管发育异常伴随着咽囊发育缺陷，但这两种组织间的功能性相互作用还有待深入探究。.咽囊是前肠内胚层出芽形成的一系列囊状凸起，对于头部骨骼的发育至关重要，同时其自身会衍生为头颈部的胸腺和甲状旁等重要器官。但是，至今还不清楚前肠内胚层是否存在咽囊前体细胞。我们结合细胞谱系示踪和转基因消除技术，揭示了斑马鱼胚胎中咽囊前体细胞的存在。这些咽囊前体细胞位于咽区内胚层的最外侧，表达转录因子Nkx2.3。我们发现，咽区外胚层表达并分泌BMP2b蛋白，激活其相邻的内胚层细胞内的BMP信号通路，致使内胚层细胞发生命运的转化，特化为咽囊前体细胞（PLoS Genetics, 2019）。该研究首次鉴定了咽囊前体细胞，并阐明了其命运决定机制。.咽囊形成后，我们进一步其在弓动脉前体细胞特化中具有关键作用。我们的研究揭示，nkx2.5+咽区中胚层进一步分化为nkx2.5+ 和nkx2.5- 两大细胞亚群，nkx2.5+细胞形成弓动脉，而nkx2.5 的细胞发育形成连接弓动脉的腹主动脉，表明咽区中胚层存在着向弓动脉前体细胞分化的细胞命运决定过程。通过共聚焦显微镜动态观察，发现咽囊的形成与相应弓动脉前体细胞的出现在时间上保持一致，且两者在咽区紧密相邻。咽囊提供了一个合适的微环境，使得咽区中胚层细胞特化为弓动脉前体细胞。接下来，通过组织特异性敲降实验和构建相关突变体，我们发现来自咽囊的BMP2a/5是促进弓动脉前体细胞特化的主要微环境信号。有意思的是，BMP信号能够调控cloche基因的表达。缺失cloche基因，nkx2.5+前体细胞丧失了向弓动脉血管分化的能力，转而走向肌肉细胞的命运。因此，咽囊在弓动脉发育过程中建立了一个前体细胞特化的微环境，对弓动脉发育具有直接且重要的作用（Development, 2021）。我们还发现咽囊来源的PDGFαa和PDGFαb通过促进弓动脉成血管细胞增殖，引导弓动脉血管形成（Journal of Genetics and Genomics, 2019）。这些研究，揭示了咽囊的起源和其通过组织间相互作用调控头部组织器官发育的重要功能机制。