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胚胎中的位点信息：超越形态发生素
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9 P* R7 x: P- j- D( cMichel Kerszberg and Lewis Wolpert
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8 H9 i) L+ X) ~# DCell 130, 205—209, July 27, 2007
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6 x% |) P& ~" Y. A 被称为形态发生素的可扩散小分子的浓度梯度是发育的关键调节因子，它在胚胎的图式形成过程中对位点进行设定。现在已认识到与细胞之间相互作用有关的其他不同机制对位点设定也很重要。
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) `" X+ u( K' V3 m7 W7 D8 k+ K! p/ V 胚胎发育中的一个关键步骤是按照空间图式设定细胞演化，例如脊椎动物肢体的软骨或昆虫翅膀的纹络。图式形成的一种机制依赖于一种被称作形态发生素（形态发生素这个名称是Turing提出来的）的可扩散微小物质的增殖，这种机制可用来描述在细胞对不同的形态发生素起响应时，形态发生素分子的扩散可决定基因表达类型。在French Flag模型中，人们提出细胞按照它们与形态发生素浓度边缘的距离，接受某个位点值，再根据细胞的实时动态状态进行演化。胚胎位点域很小（直径小于30个细胞），由此提出可扩散的形态发生素可设定位点值。长期以来，形态发生素是解释图式形成实验的标准框架，但现在知道这是不全面的。正如Gregor等在他们有关Bicoid形态生成素的新研究中提出的，即使在相对简单的果蝇无膜胚盘中（形态生成素可在其中起作用），也可能有一个另外的机制。. U* B& G+ J! n) N. e1 ]8 F
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可扩散的形态发生素本身是否可提供高度精确和可靠的位点信息？同样重要的是，已知其他局部机制也在与位点有关的细胞专一性中起作用。因此，细胞在胚胎中确定其位点时，也必须接受方向信息，即极性。例如，哺乳动物耳朵的传感细胞或蝇类翅膀的绒毛细胞等特定上皮细胞会有平面细胞极性，即在上皮细胞平面中的极性。平面极性是整体组织的综合性质，对确保许多功能的实现十分重要（例如对绒毛的正确定位），对细胞在几个不同方向的差异也很重要，这些细胞根据相关位点，与其相邻细胞有不同的反应。有人假定形态发生素与细胞平面极性有关，但完全无法对此下结论。假定的平面极性机制认为复杂的细胞—细胞相互作用十分重要。由于位点信息和方向信息这两个问题密切相关，我们提出在胚胎的空间构型设定中，细胞—细胞相互作用以及形态发生素都是必要的参与者。
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' `! E. p ~, L* H* o 任何产生位点信息的机制都必须满足两个条件：精确性和强度。形态发生素本身可满足这些条件吗？2 h; A; G: e. V8 H# H
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精确性和强度
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" Z! t* c: s7 R9 k/ k6 N 首先来看精确性，它是指在不同细胞类型之间边界位点的准确度。很少有人在细胞水平精确地研究这个问题。我们不知道细胞位点的设定是否真的可达到单个细胞水平，也许在昆虫胚胎的节段化时是这样。昆虫胚胎前后(A/P)副节段边界是由单个细胞直径的宽度决定的，这个过程并不仅仅是由解读局部形态发生素浓度的单个细胞产生。精确性的基本水平需要更全面的研究。例如，我们尚不知道在细胞水平上，果蝇的两个翅膀的一致性有多大的精度。
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$ j9 f$ \% K1 f( b# S- U9 C 果蝇胚盘有关于位点精确性的数据，胚盘是一个含有许多细胞核（而不是单独细胞）的多核体。形态发生素Bicoid不需要在多核体中穿越细胞边界，我们可以观察到这种转录因子的漂亮的指数梯度。然而，对Bicoid梯度起响应的Hunchback靶基因的转录活化图谱揭示了一个问题：Hunchback表达的边界区域的精确性明显大于Bicoid梯度的精确性，而一般认为Hunchback是从Bicoid梯度衍生的。除了用在Bicoid形态发生素梯度之外还有其他机制进行解释，很难对上述研究结果进行解释。很可能在每个细胞核的靶基因之间有起调节作用的相互作用的参与。最近Gregor等在Cell上发表的两项出色研究表明，Bicoid梯度的建立和Hunchback的解读很可能与细胞核之间的信息交流有关。
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. M- O7 e6 J; x$ `4 X0 ^ 在胚胎形成的空间图式决定中，形态发生素要满足的第二个条件是强度。这意味着尽管有干扰，形态发生素的分布必须能够重复并保持稳定。在胚胎的不同位点测定形态发生素的浓度是很困难的，因此测试形态发生素的各种强度模型也很困难。实验上的困难是由于相关的分子浓度很小，以致存在可影响形态发生素反应的内部化学噪音。胚胎细胞可以表达的形态发生素受体也是“稀释的”，这些受体在一个复杂的物理—化学环境中起作用，由此可能造成形态发生素（分布）不稳固。
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: ~- ^: a X$ U0 i, E 细胞外基质可能有各种形态发生素的结合位点，可以“捕捉”形态发生素分子。在蝇类胚胎中，可能是由细胞表面粘蛋白（蛋白多糖），如Dally或类似物，形成Decapentaplegic (DPP)[骨骼形态生成蛋白质（BMP）家族成员]和Wingless（脊椎动物Wnt在蝇类中的形式）的梯度。在许多情况中，DPP和Wingless都起形态发生素的作用。DPP的早期腹背梯度可与一些因子相互作用，例如与Short Gastrulation（一种DPP拮抗剂，可给出蝇类胚胎的腹背轴）相互作用。也有证据表明，在果蝇胚胎形成中有一种细胞到细胞的接力机制，进行形态发生素的传输。在果蝇胚胎发育中，也可能有另一种基于脂蛋白颗粒的主动机制，进行Hedgehog和Wingless的传输。
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0 V% W6 f7 M2 G* X# o3 V3 ` 细胞外空间具有复杂的形状，以致有效扩散时间可增加5倍，导致形态发生素梯度发生局部改变。形态发生素的扩散过程确实依赖于组织的精确三维结构，包括细胞—细胞接触的密度和复杂的拓扑学。可以预期有许多细胞因子能搅乱或正向调节形态发生素的增殖。例如，与细胞表面受体结合的可扩散分子在保持功能的情况下，几乎总是有某种程度的内吞，以致很难精确测定形态发生素的有效浓度。尽管从一个来源的分子的增殖被称为“扩散”，但使用这个简单术语对大量上述复杂过程进行描述会导致错误。
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在这些复杂情况下（也许这些复杂性可提供帮助），形态发生素梯度是怎样保持强度和精确性的呢？从数学模型（如一维无噪音模型）已经推出了形态发生素梯度强度，但这种模型依赖于人为的增殖介质的均一性质，并要求有形态发生素分子的降解，而至今还没有关于形态发生素降解的确切证据。
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$ }! g) Y d# ^" |/ O9 }& K+ I 如果形态发生素是起梯度位点标识的作用，则一定会存在使细胞感知和解读浓度依赖信息的机制，由此产生了问题。例如，如果位点是由一个个细胞规定的，则需要远远大于在某些组织中鉴定的形态发生素浓度阀值5（基因活性在阀值时产生变化）。此外，对细胞响应所必需的形态发生素与受体的结合对形态发生素的分布也有极大的影响。在受体被饱和时，甚至会阻止与形态发生素结合的受体的梯度的形成。! ?( a% o0 z# ^3 F* ]) }
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形态发生素梯度的一个没有得到充分研究的性质是它随时间而改变。Freeman和Gurdon提出细胞所做的只是在其区域记录梯度的最大浓度。对于细胞位点来说，可能解读时间进程中总信号波幅的“最大值定律”或时间整合定律，比在该位点只解读形态发生素的浓度，可给出更稳定的信号。7 L n% U& l/ }1 r8 P. S
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各种可能的形态发生素一般对组织有多种影响，这可影响图式形成。特别令人感兴趣的一项研究表明，在蝇类翅膀胚胎发育中，DPP梯度的斜率调节生长。生长和位点信息确实相互关联，如果DPP的浓度和斜率都与生长有关，将使研究工作变得相当复杂。" e ~% X: n% a, O- K
' _$ T& g: g; W4 g 下面将更详细地讨论某些得到详细鉴定的形态发生素候选分子：DPP、Sonic Hedgehog和活化素。! A/ N2 b0 P3 {7 G$ h6 [ u+ T
) `: z! B) o% d; gDPP：一个BMP类形态发生素+ T3 r9 g. p& j4 W( ?) `
' l0 s! P% r. ~, ^ BMP属于TGFβ超级家族，它的梯度与一套细胞因子、正反馈以及杂合二聚体的形成有关，在早期果蝇胚胎的背部区域达到信号传导峰值。上述三个过程可能也存在于蝇类成虫翼盘。翼盘可分为前区室和后区室，可扩散的Hedgehog分子在后区室表达，而可扩散的DPP在区室边界表达。Entchev等发现DPP分布在很长的浓度梯度范围，在靶组织中以每小时大于4个细胞直径的速度移动。这种移动没有特定方向。然而，DPP的细胞外扩散本身并不能解释其分布状态，因为稳定的梯度和受体介导的内吞对DPP的长程调节是必需的。尽管有证据表明，靶基因Omb和Spalt在特定的DPP阀值可启动，但需要注意的是，即使在这个得到深入研究的例子中，也没有关于依赖于梯度的位点基因活化的定量证据。上述研究和其他研究都没有确切证实不同的DPP（或Hedgehog）局部浓度可以必要的精确性给出位点信息和活化基因。
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Sonic Hedgehog( J" K: u6 Y: q/ x
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据认为Hedgehog家族蛋白质在各种组织中（包括果蝇幼虫表皮和成虫翼盘以及脊椎动物神经管）起形态发生素的作用。Hedgehog的增殖包括各种分子的相互作用。
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0 j c# X m b+ ~ 有人提出沿脊椎动物肢干前后轴形成的图式是由于发育起点的后缘的极性区域（为Sonic Hedgehog编码的基因在此处表达）有一种级差信号。最好的信号分级证据来自下列观察：在前端部位移接少量极性组织细胞而造成信号减少时，可引起响应的减少，这意味着没有给出数字4， 3和2的信号，而只能给出数字2的信号。然而，并没有决定细胞行为（形成特定数字）的形态发生素梯度的直接证据。可能存在两个重要机制，（1）细胞与极性区域接触的总时间；（2）细胞在该区域的停留时间，这是通过细胞暴露在该区域的时间和Shh的合成来进行测定的。在脊椎动物胚胎神经束管图式形成中有关Shh信号传导的研究中也有类似的发现。
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; i1 r) l7 G$ M8 W7 ^! v激动素
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在爪蟾早期胚胎中有激动素类分子的活性梯度。激动素属于TGFβ家族。激动素浓度高时，goosecoid基因活化，而激动素浓度低时，xbra基因可启动。可用激动素与其细胞表面的结合来解释上述结果。然而，没有证据表明在蝇类胚胎中，由扩散形成的受到严格调控的激动素梯度本身确实可以控制细胞演化。
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, P# {! H' F0 L: ~& ~+ p/ L k图式形成的其他机制. ^, p6 j) ~" h' \$ X0 c( Q
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还有哪些变换的或其他的图式形成机制？有人提出DPP信号传导的机制包括了通过细胞伪足（cytoneme）使DPP受体（不包括DPP配基）在细胞之间转移。细胞伪足是基于肌动蛋白的伪足延伸物。在果蝇翼盘中，细胞伪足的方向主要是由朝向前端—后端和背腹的组织物形成的，它们的存在和方向可协调DPP的信号传导。DPP受体Thickveins存在于沿细胞伪足移动的斑点中。人们认为这些观察与细胞伪足在信号传导中的作用一致。
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Wilson和Melton清楚地认识到许多与爪蟾中胚叶图式形成有关的形态发生素增殖的问题。他们发现在很大的活化素浓度范围内，各种中胚叶标记可被同时活化。他们的结论是，对活化素的初始响应相当简单。他们进一步将所观察到的细节归因于细胞—细胞的复杂相互作用。在Reilly和Melton进行的一项有关TGFβ信号传导的研究中，他们发现了在细胞之间有接力机制的证据，具有高形态发生素浓度的细胞通过这种机制首先分化，然后与远距离的细胞进行信息交流。然而，在Williams及其同事对形态发生素Xnr2（一个TGFβ家族成员）进行标记和对其在爪蟾中的位置进行观察时，发现这种形态发生素通过扩散进行远距离信号传导，而不是像TGFβ形态发生素那样，通过细胞伪足、丝状伪足、Argosome（膜囊泡外结构）或转胞吞的运动进行远距离信号传导。
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在Gergor等有关蝇类胚胎Bicoid梯度发育和稳定性的两项研究中，他们提出在细胞核之间的某种形式的空间平均性是抑制噪音所必需的，由此可以解释他们观察到的靶基因Hunchback对Bicoid浓度的解读的高精确度。在多核细胞中的细胞核，类似于在多细胞胚胎中的细胞，其作用不仅仅是解读形态发生素梯度，而是可帮助建立这种梯度。在这个过程中，多核细胞的细胞核要经受局部改变，并有长程交流，这个过程超出了最终的形态发生素分布，可以将关键位点信息传递给细胞。
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位点信息的给定确实同时包括细胞和系统总体的极性。适于细胞平面极性研究的模型系统是果蝇翅膀和眼睛。人们普遍假定一个或几个（分子浓度）梯度（某些人意见相反）与翅膀和眼睛的图式形成有关，尽管信号的性质尚不清楚（许多人相信浓度梯度最终导致Frizzled受体逐步活化）。有人报道Dachsous、Four-jointed和Fat等分子的横跨组织的级差表达，可调节Frizzled的信号传导。很明显，这些潜在的侯选分子是生长因子(Fat明显与组织生长控制有关)，它们都是非典型钙粘着蛋白，属于跨膜蛋白，可调节细胞粘着和联系，但不太可能进行细胞间转移，因此不是形态发生素。
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+ j* w, X0 d( Q( o Lawrence等基于细胞—细胞相互作用，提出了一个在果蝇腹部上皮建立极性的模型，该模型提出起关键作用的形态发生素可为细胞提供位点信息。跨膜蛋白Four-jointed、Dachsous和Fat与未知因子X的梯度的建立有关。这种X因子的梯度决定Frizzled的活性。Frizzled以及Prickle和VanGogh/Strabismus可解读X 因子梯度，使细胞能将自身位点的X因子浓度与相邻细胞的X因子浓度进行比较，建立一个浓度的平均值。另一方面，Ma等提出了一个平面极性只依赖于细胞—细胞相互作用和局部（细胞水平）有级差分布的模型，这个模型不需要X因子，因此也没有传送给细胞的整体位点信息。Le Garrec等人的模型提出，在细胞表面围绕钙粘着蛋白Flamingo形成的不对称分子复合物可解读微弱的Frizzled活性梯度。即使有Frizzled活化梯度的噪音，也能在直径为几百个细胞的范围建立起极性。如果进行适当延伸，上述模型中的后面两个也可以在蝇类胚胎的翅膀原始细胞中提供位点信息。在本文中，我们也注意到Baena-Lopez和Garcia-Bellido提出过，由于相邻细胞中Vestigial基因表达的不同而触发的局部细胞—细胞相互作用，也许能给出蝇类翅膀的位点信息。5 ]% f: [4 j+ a& Q1 m6 E) _
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与形态发生素梯度非常不同的是在脊椎动物肢干的下末梢图式形成和在沿脊椎动物胚胎主体轴体节形成中，确定位点的机制。特别要提出的是，在后一种情况中，分子浓度的时空波动有特别的作用，通过Delta配基结合的Notch受体的信号传导而进行的细胞之间的信息交流，对使局部（分子浓度）波动同步化非常重要。值得注意的是，Notch-Delta信号传导途径在果蝇眼睛的极化中有明显作用，这为在极性和位点专一性之间的系统连接提供了可能性。
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7 p9 x. z9 T, {) `& o 我们认为，与极性和体节形成中的有关机制类似，设定位点值的机制也包括细胞—细胞相互作用。在似乎是相互独立的现象中起作用的分子之间也可能有相互重叠。形态遗传分子确实存在，但这些分子的浓度不太可能决定在发育着的胚胎中的细胞的最终位点。Wardie和Smith曾报道在单细胞水平，早期发育基因表达是可变的，只有晚期基因表达才与精确的细胞位点有关联。因此，形态发生素可能是一个粗略的位点信息系统，它要受细胞—细胞相互作用的细调。很明显，形态发生素并不是单独起作用，各种复杂的细胞机制决定它的特性。在决定胚胎位点值的相互作用这座冰山中，形态发生素的增殖、信号传导和解读只是其中得到最多研究的部分。: `& }2 I3 x8 `; {, [
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本文转自建人先生原创，感谢 |
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发表于 2009-4-28 21:23
发表于 2010-6-3 13:44
