Wnt和BMP信号通路在间接发育的半索动物Ptychodera flava的前部神经外胚层中发挥调控作用

《Cells & Development》：Wnt and BMP signaling pathways pattern the anterior neuroectoderm of the indirect-developing hemichordate Ptychodera flava

　　Wnt信号从后端限制神经外胚层（ANE）分布，BMP信号促进ANE形成与再生，揭示非 chordate deuterostomes中体轴模式的保守与演化机制。

　　在研究生物发育过程中，胚胎的轴向模式形成是一个关键的议题。特别是对于脊索动物（chordates）而言，其胚胎的形成过程涉及一系列复杂的信号通路，其中Wnt和BMP信号在确定身体的前后轴（anteroposterior axis, AP）和背腹轴（dorsoventral axis, DV）中发挥着核心作用。在非脊索动物的双腔动物（deuterostomes）中，包括棘皮动物（echinoderms）和半索动物（hemichordates），这两种信号同样参与了轴向模式的建立。然而，是否在这些非脊索动物中存在与脊索动物“组织者”（organizer）相对应的组织结构，仍然是一个有争议的问题。

组织者在脊索动物胚胎中起着至关重要的作用，它能够产生Wnt和BMP信号梯度，从而引导胚胎的轴向发育。然而，在某些类群中，如头索动物（cephalochordates）中的半索动物（amphioxus），组织者并未以相同的形式存在。相反，其胚胎的背侧裂孔唇（dorsal blastopore lip）表现出类似组织者的特性。此外，在海鞘类（tunicates）中，组织者被认为在进化过程中已经丢失。这些发现表明，组织者的存在和功能可能在不同的类群中有所变化，但其核心作用的信号通路可能具有一定的保守性。

在双腔动物的发育过程中，Wnt和BMP信号的建立与轴向模式密切相关。在棘皮动物如海胆胚胎中，Wnt信号的梯度呈现出与脊索动物相似的模式，即高表达于胚胎的后端，低表达于前端。然而，BMP信号的梯度则有所不同，它在棘皮动物胚胎中主要分布在背侧，而在脊索动物胚胎中则主要集中在腹侧。这种差异支持了“背腹轴翻转假说”（DV inversion hypothesis），即在脊索动物的进化过程中，背腹轴的模式发生了翻转。这一假说为理解不同类群的发育机制提供了重要的理论框架。

对于非脊索动物的双腔动物，特别是半索动物，Wnt信号在前后轴的定位中起着关键作用。例如，在半索动物的胚胎中，Wnt信号的高表达区域位于胚胎的后端，这种模式与脊索动物类似。而在某些直接发育的半索动物中，如无幼虫阶段的Saccoglossus kowalevskii，Wnt信号在胚胎的植物极（vegetal pole）区域被激活，从而控制了前后轴的模式形成，并限制了前神经外胚层（anterior neuroectoderm, ANE）的范围。此外，Wnt信号的抑制或过量激活会导致胚胎发育异常，例如在S. kowalevskii中，过量的Wnt信号会导致幼虫的前部截断，但不影响其后部的发育。这些结果表明，Wnt信号在控制胚胎前后轴模式和限制ANE区域方面具有高度的保守性。

然而，对于间接发育的半索动物，如Ptychodera flava，其发育过程中存在一个较长的浮游幼虫阶段（tornaria larva），目前对Wnt信号在其中的作用机制仍知之甚少。因此，研究这类半索动物的发育过程对于理解双腔动物的祖先发育机制至关重要。P. flava作为间接发育的半索动物，其胚胎在进入囊胚期（gastrula）阶段时，Wnt信号的分布和功能可能与直接发育的半索动物有所不同。

在本研究中，我们通过多种实验方法，包括原位杂交（in situ hybridization）、免疫染色（immunostaining）、胚胎切割（embryo bisections）以及信号通路的功能干扰（functional perturbation of signaling pathways），对P. flava胚胎中Wnt和BMP信号的分布及其在ANE形成中的作用进行了系统分析。结果显示，Wnt信号在P. flava胚胎的后部区域具有较高的活性，并在囊胚期阶段逐渐限制ANE的范围。这一发现支持了Wnt信号在脊索动物和非脊索动物双腔动物中都具有保守的限制ANE的功能。

与此同时，BMP信号在P. flava胚胎中也表现出重要的调控作用。在囊胚期阶段，BMP信号不仅促进了ANE的发育，还在一定程度上参与了其再生过程。然而，BMP信号的初始作用似乎具有一定的抑制性，它在早期阶段可能会抑制神经组织的形成。这种双重功能表明，BMP信号在ANE形成过程中可能具有阶段特异性的作用，即在早期阶段可能起到抑制作用，而在后期阶段则转为促进作用。

这些发现不仅揭示了Wnt和BMP信号在P. flava胚胎中的具体功能，也为理解双腔动物祖先的发育机制提供了新的视角。在脊索动物和非脊索动物双腔动物中，Wnt信号均参与了ANE的限制，而BMP信号则可能在不同发育阶段发挥不同的作用。这种保守性和阶段特异性的作用模式表明，这些信号通路可能在双腔动物的共同祖先中就已经存在，并在不同类群中经历了适应性的变化。

此外，我们的研究还表明，Wnt和BMP信号在非脊索动物的双腔动物中可能具有不同的作用机制。例如，在P. flava胚胎中，Wnt信号的后部高表达与脊索动物中的模式相似，而BMP信号的背侧高表达则可能与棘皮动物的模式一致。然而，由于P. flava属于间接发育的半索动物，其发育过程中可能经历更多的中间阶段，这为研究信号通路的动态变化提供了独特的条件。

在分析这些信号通路时，我们还关注了它们的分子基础。通过基因克隆和系统发育分析，我们确认了P. flava中Wnt、Cerberus和Foxq2等基因的同源性。这些基因在不同物种中的表达模式和功能差异，为我们理解信号通路的进化和适应性变化提供了重要的分子依据。例如，Foxq2基因在P. flava中表现出与脊索动物相似的表达模式，这可能意味着其在AN E形成中的作用具有一定的保守性。

我们的研究还揭示了信号通路之间的相互作用。Wnt和BMP信号在胚胎发育中并非孤立存在，而是通过复杂的调控网络相互影响。例如，在P. flava胚胎中，Wnt信号的高表达区域可能与BMP信号的分布存在一定的重叠或相互作用，从而共同调控ANE的形成。这种信号通路之间的协同作用可能在不同类群的胚胎发育中具有普遍性，但具体的调控机制可能因物种而异。

进一步的研究还表明，Wnt和BMP信号在胚胎发育中的作用可能受到其他因素的影响。例如，在某些情况下，Wnt信号的抑制可能与BMP信号的激活相互配合，以实现更精细的调控。这种复杂的调控网络可能解释了为什么在不同的发育阶段，信号通路的功能会发生变化。此外，环境因素和细胞间的相互作用也可能在信号通路的调控中起到重要作用。

在实验方法上，我们采用了多种技术手段，以确保研究结果的准确性和可靠性。例如，通过原位杂交，我们能够确定特定基因在胚胎中的表达位置；通过免疫染色，我们能够观察信号通路相关蛋白的分布情况；通过胚胎切割，我们能够研究信号通路在不同区域的活动情况；通过功能干扰实验，我们能够验证信号通路在发育过程中的具体作用。这些方法的综合应用，使得我们能够从多个角度理解Wnt和BMP信号在ANE形成中的作用。

研究还发现，在P. flava胚胎中，Wnt信号的高表达区域可能与胚胎的后部区域相关，而BMP信号的高表达区域则可能位于胚胎的背侧。这种空间分布模式与脊索动物中的情况有所不同，但同样表明了信号通路在胚胎发育中的重要性。此外，我们还观察到，Wnt信号的抑制或过量激活会导致AN E区域的扩展或缩小，这进一步支持了Wnt信号在限制ANE范围中的核心作用。

在讨论这些发现时，我们还需要考虑它们在进化上的意义。脊索动物和非脊索动物双腔动物的共同祖先可能已经具备了Wnt和BMP信号通路，这些信号在不同的发育阶段和不同类群中可能经历了不同的适应性变化。例如，在直接发育的半索动物中，Wnt信号可能在早期阶段就起到了限制ANE的作用，而在间接发育的半索动物中，这一作用可能是在更晚期的发育阶段才显现出来。这种变化可能反映了不同类群在进化过程中对发育机制的优化和调整。

此外，我们的研究还揭示了BMP信号在不同发育阶段的功能变化。在早期阶段，BMP信号可能起到了抑制神经组织形成的作用，而在后期阶段则转为促进ANE的发育和再生。这种阶段特异性的作用模式可能与胚胎发育的动态过程密切相关，即在不同的发育阶段，信号通路的功能可能会根据发育需求进行调整。这种动态调控机制可能在更广泛的生物发育过程中具有普遍性。

综上所述，本研究通过系统分析P. flava胚胎中Wnt和BMP信号的分布及其在ANE形成中的作用，揭示了这些信号通路在非脊索动物双腔动物中的重要性。Wnt信号在限制ANE范围方面具有高度的保守性，而BMP信号则可能在不同的发育阶段发挥不同的作用。这些发现不仅有助于理解双腔动物的祖先发育机制，也为研究信号通路在胚胎发育中的普遍作用提供了新的证据。未来的研究可以进一步探讨这些信号通路在不同类群中的具体作用机制，以及它们如何在进化过程中发生变化，从而适应不同的发育需求。