脊椎動物中胚層分化-側(cè)板中胚層

閑庭之雨 2024-01-08 發(fā)布于湖北

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前言

在脊椎動物（vertebrate）發(fā)育過程中，在原腸胚形成（gastrulation）階段，出現(xiàn)三胚層分化，形成外胚層（ectoderm），中胚層(mesoderm)和內(nèi)胚層(endoderm)。筆者的研究方向，與中胚層密切相關(guān)，但是在文獻閱讀過程中，總被復(fù)雜的中胚層名稱和發(fā)育形成的器官名稱所困擾。所以，今日通過仔細地文獻閱讀，一舉殲滅有關(guān)側(cè)板中胚層分化的相關(guān)名詞和知識。

中胚層的分類

較為準(zhǔn)確而言，中胚層可以進一步細分為四部分，如果將脊椎動物進行橫切（transverse section）,得到的截面，最中間是脊索（notochord）,脊索來源于脊索中胚層（Cordamesoderm）,但有些文獻里也會用axial mesoderm來指脊索中胚層，關(guān)于axial mesoderm的翻譯，也許翻譯為軸向中胚層較為合適。挨著脊索中胚層是軸旁中胚層（paraxial mesoderm）,軸旁中胚層主要給出體節(jié)（somite）,而體節(jié)從背側(cè)（dorsal）到腹側(cè)（ventral），可以進一步分成三部分，分別是皮節(jié)(dermatome),肌節(jié)(myotome)和生骨節(jié)（sclerotome），顧名思義，分別給出真皮（dermis）、肌肉（muscle）和肋軟骨（rib cartilage）。軸旁中胚層再向兩側(cè)，便是中間中胚層（intermediate mesoderm）,主要發(fā)育為性腺（gonad）和腎（kidney）。中間中胚層再往外，便是側(cè)板中胚層（lateral plate mesoderm）,側(cè)板中胚層還可以再分為兩部分，臟壁中胚層（splanchnic mesoderm）和體壁中胚層（somatic mesoderm），分別產(chǎn)生血管（動脈/靜脈）與枝芽（limb bud）。

中胚層的分類

2020年Development 上有一篇關(guān)于側(cè)板中胚層的綜述，https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7328003/

借助該綜述，我們可以系統(tǒng)性了解關(guān)于側(cè)板中胚層的特化與發(fā)育的背景知識。

摘要

側(cè)板中胚層主要產(chǎn)生心臟、心血管系統(tǒng)，血液、腎、平滑肌和枝芽/骨骼。粗略理解，除limb bud是來源于體壁中胚層外，其他組織和器官來源于臟壁中胚層。

模式生物對比

模式生物側(cè)板中胚層的對比

脊椎模式生物斑馬魚、雞和小鼠，在體節(jié)生成（somitegenesis）過程中，中胚層的分布情況基本相似，左圖的左半部分是橫切面，左圖右半部分為縱切圖?？梢园l(fā)現(xiàn)，

1.文獻示意圖里將paraxial mesoderm寫作somitic mesoderm，這里的somitic是體節(jié)somite的形容詞性，而非somatic mesoderm，體壁中胚層。

2.雞和小鼠里是可以將側(cè)板中胚層（LPM）進一步分為背側(cè) somatic mesoderm 和腹側(cè) splanchnic mesoderm，但是在斑馬魚里似乎沒有進一步對LPM進行區(qū)分。

3.圖中沒有示意intermediate mesoderm，相反，示意圖把intermediate mesoderm劃入LPM，參看右圖，作者認(rèn)為LPM是可以產(chǎn)生kidney的。更準(zhǔn)確而言，是intermediate mesoderm產(chǎn)生kidney和gonad。

4. 按照anterior-posterior (A-P axis)縱切圖來看，LPM可以分為前部側(cè)板中胚層（ALPM）和后部側(cè)板中胚層（PLPM）.這種前后的特化，后面作者會講到，推測可能是脊椎動物進化過程中的適應(yīng)（adaptation）。

側(cè)板中胚層的特化

整體overall的結(jié)論是， FGF、RA 、BMP和Nodal 通路都會影響LPM的產(chǎn)生。BMP和Nodal這兩種通路太經(jīng)典了，本科發(fā)育生物學(xué)課程里，作為morphogen分別調(diào)控D-V特化和A-P特化。由于LPM主要產(chǎn)生于胚胎的腹側(cè)，所以對應(yīng)的表型是，提升BMP擴張LPM；降低BMP會縮小LPM。但是作者這里也提到，這兩種信號通路并不instructive to trigger LPM formation，雖然我沒有具體去查閱文獻，我個人猜測是這兩種通路可能不sufficient for LPM fate conversion。

LPM的另外一個特點是呈現(xiàn)“雙條紋“（bi-stripe）分布，雙條紋會在胚胎的最后側(cè)相遇，整體呈現(xiàn)一個U字。所以平面細胞極性（planar cell polarity ）信號通路可能在發(fā)揮作用，讓LPM恰好出現(xiàn)在軸旁中胚層旁邊。

側(cè)板中胚層的分子標(biāo)記（marker）

在老鼠和雞里面，用來標(biāo)記LPM的marker有 Hand1/2, Gata4, Bmp4 等，但是這些marker要么特異性不夠，要么只是mark了部分LPM，所以并不存在一個能mark所有LPM的marker。在哺乳動物里，常用brachyury來作為中胚層的參考（這里用reference，說得比較含蓄），但是這個基因似乎并不怎么影響LPM。

倒是在斑馬魚里，有個特有的基因叫做draculin，通過克隆它的增強子，是發(fā)現(xiàn)可以mark整個LPM的（pan-LPM）,更有意思的是，這段斑馬魚特有的增強子也可以跨物種work，提示不同物種間，LPM的特化可能共同響應(yīng)一些中胚層特化因子。

側(cè)板中胚層的進化歷程

LPM在文昌魚(amphioxus)，頭索動物亞門就存在，提示了進化上LPM可能出現(xiàn)在脊椎動物門。但是文昌魚的LPM是不分ALPM和PLPM的，但七鰓鰻（lamprey），脊椎動物亞門里是由A-P之分的，從而提示LPM的區(qū)域化（compartmentalization）有可能是脊椎動物的適應(yīng)性（adaptation）。

側(cè)板中胚層產(chǎn)生的品系

1. 心血管系統(tǒng)

ALPM主要產(chǎn)生心血管和心肌，marker包括nkx2.5, etv2, lmo2和scl/tal1; PLPM主要產(chǎn)生初級造血的紅細胞和軀干的動靜脈血管，marker包括etv2, lmo2,scl 和gata1a。

2.心臟

這里主要講的是除了心血管和心肌外的心臟干細胞，主要分子是Mesp1調(diào)控下的Gata4, nkx2.5和hand2，然后形成的是heart tube，翻譯為心管。

心臟干細胞發(fā)育為心臟過程中，從first heart field (FHF) 和second heart field (SHF)整合細胞，最終形成心室和心房。這里作者也提到一個Question，為啥需要從這兩處整合細胞呢？我也比較好奇，F(xiàn)HF和SHF里的前體細胞是那些細胞呢？他們的起源應(yīng)該還是來源于ALPM。

3. 血管

在脊椎動物發(fā)育過程中，提到血管，就離不開血液，不僅因為血液需要在血管里流動，更有意思的是，在起源上，血管和血液可能來源于同一個雙潛能細胞，叫做hemangioblast （翻譯太麻煩了我就懶得翻譯了，還是直接用英文比較熟悉）。一個Hemangioblast細胞會分化成兩種細胞，一個叫做angioblast是血管細胞的前體細胞，另一個叫做hematopoietic progenitor是血細胞的前體細胞。

斑馬魚里有個基因叫做npas4l，最早是通過ENU突變拿到的突變體，但是找不到這個基因是啥，命名為cloche。這個突變體里既沒有血管，也沒有血細胞，后面才定位到這個基因（主要是這個基因太靠近端粒，不好去定位），所以斑馬魚里naps4l這個基因應(yīng)該算是hemangioblast的marker。除了斑馬魚，小鼠和雞里沒有這個基因，似乎另外一個基因etv2以及它調(diào)控下的scl，在控制hemangioblast的產(chǎn)生。對了，斑馬魚里也是有etv2的，而且還是naps4l的下游。

說了那么多hemangioblast，還沒回到endothelium上呢。關(guān)于endothelium，轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控方面，包括了Fli1, Erg和Ets1這些ETS-TF家族成員。此外，VEGF 信號通路也對血管的發(fā)育至關(guān)重要，由配體vegf家族和受體vegfr家族成員參與調(diào)控。

4. 血液

血液這一塊比較復(fù)雜，主要是脊椎動物的血液分好幾波，初級造血和次級造血。初級造血在ALPM產(chǎn)生髓系細胞，在PLPM產(chǎn)生紅細胞，但是這些初級造血產(chǎn)生的細胞不具備永生能力。隨后，在PLPM產(chǎn)生的主動脈血管，也就是上面提到的血管，有一些動脈血管腹側(cè)壁上的細胞會被特化，從血管上脫離出來，產(chǎn)生了造血干細胞，造血干細胞是可以自我更新和永生的，并且可以給出所有品系的血液細胞。

5. 淋巴管

LPM也可以產(chǎn)生淋巴管，這要拜LPM產(chǎn)生血管所賜，因為一般認(rèn)為，淋巴管是來源于部分特化的靜脈細胞，而靜脈血管正如上面提到，是來源于LPM的。但是也有一些品系追蹤實驗，發(fā)現(xiàn)軸旁中胚層也能給淋巴管，甚至可以給前肢的血管，但是關(guān)于這些實驗用到的pax3-Cre是否特異性標(biāo)記軸旁中胚層，是存在疑問的。