TGF-β信号通路在长牡蛎早期胚胎背部化决定及贝壳发生中的功能研究

Body patterning and larval shell formation are two important issues of studies on development of mollusks. However, we know little about the molecular mechanisms underlying these processes. The Pacific oyster Crassostrea gigas is a representative bivalve species widely distributed in the world. Our preliminary study on the dorsal-ventral patterning of C. gigas revealed that a conserved TGF-β signaling pathway (Dpp pathway) might regulate the dorsalization of C. gigas embryos and also play roles in the larval shell formation. Furthermore, other TGF-β pathways were indicated to be involved in these processes also. These results indicate that the dorsalization and larval shell formation in bivalves are closely related and they may share some signal molecules. Basing on these findings, as stated in this proposal, we would devote our efforts to revealing the molecular mechanisms that how TGF-β pathways regulate dorsalization and larval shell formation in C. gigas, and how these two processes differentiate from each other. More specifically, we plan to 1)identify members of TGF-β pathway and describe their spatiotemporal expression patterns, 2) reveal the phenotype effects when genes are silenced, 3) reveal the mechanisms through which the proteins play roles, such as protein-protein interactions, and 4) elucidate how different TGF-β pathways are activated through different combinations of ligands and receptors. The expectable results of these works would expand our knowledge on the molecular mechanisms of early development of C. gigas and shed lights on both reproductive and developmental studies.

在双壳贝类发育生物学研究中，体轴决定和贝壳发生都是重要的发育事件。本项目组以长牡蛎为研究对象，在前期工作中发现一种类型的TGF-β信号通路（Dpp通路）可能是其胚胎背腹轴决定的重要调控因子，并参与了早期贝壳发生的调控。进一步的研究提示，其它类型的TGF-β信号通路可能协同作用调控了这两个生理过程，长牡蛎的背部化和贝壳发生紧密联系，可能共享部分信号分子。基于此认识，本项目拟从解析TGF-β信号通路组成入手，系统研究TGF-β通路关键分子在长牡蛎发育过程中的时空表达模式，研究关键基因的缺失表型，分析特定蛋白的生物活性及相互作用类型，解析不同TGF-β配体和受体组合对通路激活状态的调控作用，进而全面阐释TGF-β信号通路在长牡蛎早期胚胎背部化决定及贝壳发生中的作用机制，从分子水平上解析这两个生理过程的统一性和分歧。预期研究结果可以深化和丰富我们对软体动物繁殖和发育生物学的认知。

作为软体动物发育的重要科学问题，背腹轴决定和贝壳发生一直被认为是互不联系的孤立事件，研究基础也很薄弱。在前期工作中，有证据表明二者有很强的内在关联，其内在分子机制可能均涉及TGF-β通路。基于此基础，本项目系统研究了TGF-β通路与这两个生理过程的相关性和重要分子的功能及作用机制。具体而言，全面分析了长牡蛎TGF-β信号通路及相关基因的组成，研究了其表达规律和背部化及贝壳发生的相关性。利用功能实验研究了TGF-β信号通路对背部化和贝壳发生的调控作用，阐释了其作用机制。结果表明，TGF-β通路的诸多成员如BMP2/4、GDF8/11、Smad及相关调控基因如Chordin等均参与这两个发育事件。TGF-β通路抑制剂处理长牡蛎胚胎时，背部表达的基因被减弱而腹部基因表达加强，表明TGF-β通路促进背部发育而抑制腹部形成。同时贝壳形成区的基因表达也被抑制，表明TGF-β通路是贝壳形成区发育的重要调控信号。我们还进一步研究了TGF-β的关键配体BMP2/4分子的功能。结果显示，抑制BMP2/4基因时，许多参与背腹轴形成和贝壳发生的关键基因表达被抑制，背腹轴形成和贝壳发生均被彻底阻断，证实了BMP2/4基因在这两个生理过程中的关键调控作用。这些结果为解析软体动物背腹轴形成和贝壳发生的内在机制提供了重要支撑。更重要的是，通过证实这两个生理过程共享部分调控通路，从一个全新的角度展示了背腹轴形成和贝壳发生的内在一致性，具有重要的科学意义。