Shh信号在文昌鱼胚胎左右不对称形成中的功能研究

Left-right axis formation is essential for animal development, and clarifying the mechanism underling this process has been always a hot issue in the fields of both developmental and morphological biology. Shh signaling is obligatory for the left-right axis development in chick, but whether it is required in other animals is unclear. Amphioxus occupies a key position in the phylogeny of chordates, and has a relatively simple and evolutionarily conserved genome structure, morphology and embryogenesis, making it an ideal model for studying developmental roles of Shh signaling. To the end, we recently generated an amphioxus mutant of Shh gene. Our preliminary analysis shows that Shh loss of function abolishes the expression of Cer gene essential for left-right axis formation, and disturbs positioning of organs along the left-right axis. To clarify the function of Shh signaling in the development of amphioxus asymmetry and the regulatory mechanism of Shh signaling on Cer expression, in this proposal we will make comprehensive analysis on the roles of three Shh signaling components (Shh, Ptch and Gli) in the establishment of amphioxus laterality. In addition, we will also examine the role of Shh signaling in the formation of amphioxus mouth and try to find molecular evidence to evaluate whether mouths of amphioxus and vertebrates are homologous organs.

动物左右轴建立是胚胎发育中的重要事件，其形成机制一直是发育生物学和动物形态学研究热点。Shh信号对鸡胚左右轴建立至关重要，但在其它动物类群中是否也参与左右不对称形成尚存争议。文昌鱼进化地位特殊，其基因构成、器官结构及胚胎发生均与脊椎动物相似但又十分简洁，是研究Shh信号功能的良好模型。为此我们建立了文昌鱼Shh基因缺失突变体，发现Shh突变导致Cer表达消失，Nodal、Lefty和Pitx表达由单一左侧变为左右对称，并且器官左右分布紊乱。为阐明Shh信号在文昌鱼左右轴建立中的功能以及Shh信号对Cer基因的调控机制，我们将采用基因敲除、过表达、转基因、原位杂交、石蜡切片、光镜电镜等方法，系统分析该信号通路成员Shh、Ptch和Gli在文昌鱼左右轴建立中的功能。此外我们还将考查Shh信号在文昌鱼不对称器官口形成中的作用，从发育机制的角度探讨文昌鱼口与脊椎动物口是否同源的问题。

左右不对称是两侧对称动物的重要特征，其建立过程出现异常可导致多种遗传病发生。基于脊椎动物的研究成果认为，节点处纤毛运动引起的节点流是开启左右不对称建立的最初动力，然而目前对于该物理作用是如何解读成生物学信号，进而引起基因（如Cer等）左右不对称表达的尚不清楚。本研究通过对Hh信号在文昌鱼左右不对称建立中的功能及其作用机制研究发现：1）Hh信号为Cer基因表达所必须，位于Cer信号通路的上游；2）Hh信号强度在文昌鱼早期胚胎中呈现左右不对称（右侧高于左侧），而且这种不对称出现的时间和位置与Cer基因不对称表达的时间和位置高度重叠；3）Hh信号强度的不对称由Hh蛋白的不对称分布引起；4）纤毛运动是驱动Hh蛋白不对称分布的动力。基于以上发现，我们提出如下模型：文昌鱼Hh基因表达于胚胎中线（midline）区域，在其分泌到胞外后受纤毛运动影响出现左右不对称分布（左侧低左侧高），受Hh蛋白不对称分布影响，Hh信号强度在胚胎两侧出现不对称，并进而导致Cer基因不对称转录，从而影响文昌鱼左右不对称建立。该模型很好地阐述了纤毛运动这一物理信号如何转化为生物信号，进而调控胚胎左右不对称建立的科学问题。此外，本研究还通过构建系列文昌鱼转基因品系，对文昌鱼Cer起始密码子上游区域的转录活性进行了分析，结果发现文昌鱼Cer不对称表达的调控模式与脊椎动物Cer基因存在较大不同：前者主要发生在转录层面，而后者主要发生在转录后层面。最后，本研究还发现，Hh信号对文昌鱼口的正常发育至关重要，为文昌鱼口与脊椎动物口之间的同源性关系提供了重要证据。部分研究成果已发表在Nature Ecology & Evolution、PNAS、Development、JGG等国际知名期刊上，还有部分反映该项目研究成果的论文还在撰稿中，由此研究新发现的科学问题仍在后继研究中。