Twist1介导咽弓神经嵴来源的血管内皮细胞调控脑血管稳态的研究

Vascular endothelial cells play a critical role in maintaining cerebrovascular integrity and homeostasis. It is debating whether endothelial cells in adults solely originate from the lateral plate mesoderm region. Our preliminary studies showed that killing the twist1a-positive pharyngeal arch cells causes hemorrhage in zebrafish head using the Metronidazole/nitroreductase (MTZ/NTR) system. So we hypothesized that twist1a positive pharyngeal arch neural crest cells are pluripotent, migrate and differentiate into vascular endothelial cells to maintain cerebral vascular homeostasis. In this study, we will firstly explore the endothelial cell fate of neural crest cells and their function in our self-building transgenic zebrafish with time-lapse confocal microscopy, lineage tracing and cell transplantation. Then we will identifythe profile of gene differential expression between neural crest derived endothelial cells and lateral plate mesoderm original endothelial cells. Fuethermore, we will investigate the molecular mechanisms in endothelial cell fate decision from neural crest cells. These results will show the new source of the cerebrovascular endothelial cells and provide new insights about cerebrovascular vascular integrity and therapy of the cerebrovascular disease.

血管内皮细胞在维持脑血管完整和稳态中起至关重要的作用。但脑血管内皮细胞是否有非侧板中胚层来源的细胞知之甚少。我们以斑马鱼为模型运用甲硝唑/硝基还原酶系统（MTZ/NTR）杀死头部咽弓特异表达的twist1a阳性细胞会导致脑部血管出血。基于此，提出“twist1a阳性的咽弓神经嵴细胞具有多能性，迁移并分化成脑血管内皮细胞以维持脑血管稳态”的科学假设。项目将以多个自主构建的转基因斑马鱼系为研究对象，通过长时间共聚焦显微成像技术直接示踪、谱系跟踪和细胞移植的方法来深入研究咽弓神经嵴细胞的内皮细胞命运决定，并通过MTZ/NTR系统研究其在脑血管稳态维持中的功能。用RNA深度测序阐明咽弓神经嵴来源的内皮细胞与侧板中胚层来源的内皮细胞在基因表达谱上的差别, 及深入研究调控神经嵴细胞内皮化的分子机制。本项目的开展将揭示脑血管内皮细胞的新来源，为脑血管稳态维持的机制研究和脑血管相关疾病的治疗提供新方向。

脊椎动物的血管发生和血管形成是高度保守的，涉及多种细胞特化和细胞定向分化的一个复杂过程。血管发生过程的内皮细胞在维持血管完整性和血管稳态中起至关重要的作用。而血管内皮细胞主要来源于发育过程的侧板中胚层，也有体节来源的内皮细胞的报道，但是很少有研究涉及头部内皮细胞的新来源。本项目通过自主构建神经棘特异启动子twist1a介导表达的转基因斑马鱼系Tg(twist1a:NTR-mCherry)，利用甲硝唑/硝基还原酶系统（MTZ/NTR）响应的特异杀死细胞的系统，研究神经棘细胞/平滑肌细胞来源的血管内皮细胞，主要有3个方面的结果和发现：1.通过谱系跟踪和细胞功能研究等方法证实咽弓神经嵴细胞具有发育为脑血管内皮细胞命运的能力，揭示神经棘来源的内皮细胞参与脑血管稳态维持，特异杀死头部咽弓表达twist1a阳性的细胞会导致脑部血管出血。2. 通过抑制剂筛选，结果显示骨形态发生蛋白BMP抑制剂能显著抑制MTZ/NTR系统介导的头部出血和神经棘来源的内皮细胞，说明BMP信号途径是神经棘细胞向内皮细胞转分化的重要信号。3. 已有研究显示头部神经棘细胞是血管平滑肌细胞的重要来源，体外成功构建血管平滑肌细胞向干细胞和血管内皮细胞转分化的模型，经RNA深度测序阐明血管平滑肌细胞可以发生命运转化并获得内皮细胞命运，表达内皮细胞相关的基因，并且这些内皮细胞能执行血管新生等内皮功能。本项目的结果揭示了脑血管内皮细胞的新来源，为脑血管稳态维持的机制研究和脑血管相关疾病的治疗提供新方向。通过本项目的执行，相关成果已在国际国内SCI期刊上发表论文5篇。