孟安明和陶慶華研究組在《科學》發文揭示動物體軸成因

　　11月23日，清華大學孟安明院士研究組與陶慶華教授研究組合作，在國際頂級期刊《科學》（Science）在線發表了題為《母源因子Huluwa通過β-catenin決定脊椎動物胚胎體軸》（Maternal Huluwa dictates the embryonic body axis through β-catenin in vertebrates）的研究長文，首次報道了母源基因huluwa在脊椎動物胚胎背部組織中心及體軸形成中的決定性作用，該研究成果是胚胎發育生物學領域的重大進展。

　　人和動物的軀體有兩條主要軸線：頭尾和背腹軸線，各種組織器官沿其依序排列。在脊椎動物胚胎發育早期，主要依賴于被稱為組織中心（Organizer）的區域的作用，將這兩條軸線逐漸建立。早在上世紀二十年代，德國胚胎學家漢斯.斯佩曼（Hans Spemann）和希爾德.曼戈爾德（Hilde Mangold）在蠑螈的研究中發現了胚胎組織中心，斯佩曼也因此而獲得了1935年諾貝爾生理醫學獎。

　　此后的大量研究工作表明，胚胎組織中心是一個信號中心，通過調控細胞命運和細胞運動，導致胚胎形態的快速改變，胚胎形成各個胚層并獲得類似成年后的軀體輪廓；組織中心形成的關鍵是使細胞質中的β-catenin蛋白進入細胞核，激活其它靶基因的表達。然而，是什么因子特異性誘導組織中心前體細胞中的β-catenin蛋白進入細胞核，研究界一直沒有明確答案。

　　孟安明院士研究組發現了一種斑馬魚突變體，雌性突變體的卵子受精后，所有的胚胎不能形成組織中心以及頭部和軀干，沒有正常頭尾和背腹軸線結構（圖1）。通過細致的基因定位研究，發現突變表型出現的原因是卵子中缺少了一個母體基因的產物。因該基因是一個從未有功能報導、也沒有被定名的基因，他們將該基因定名為huluwa，即中文的“葫蘆娃”，源于一部分突變體胚胎的形狀類似于葫蘆（圖1）。

　　研究者將體外合成的huluwa的mRNA注射到多細胞期胚胎的一個細胞中，可以高效地誘導出一個額外的組織中心，繼之以形成一個額外的軀體，就像雙胞胎一樣，說明其具有強大的組織中心誘導能力。陶慶華教授研究組接著證明，將爪蛙卵子中huluwa的mRNA剔除后，受精卵也不能發育形成組織中心，之后不能形成頭部和軀干；注射外源huluwa mRNA也可以誘導額外的軀干，說明魚類和兩棲類huluwa的功能是相同的。

圖1. Huluwa(簡稱Hwa)在斑馬魚胚胎中的作用模式。在野生型受精卵中，hwa mRNA定位在營養極，而軸蛋白（Axin）和β-catenin蛋白定位在動物極胞質中。在囊胚階段，Hwa蛋白定位在未來背部區細胞的質膜上，促進軸蛋白降解，胞質中的β-catenin轉運到細胞核中，從而在原腸胚形成組織中心，組織中心的信號網絡再決定背腹和前后軸線的細胞命運分化及細胞的運動方向，因而正常發育并產生正常的形態。在hwa母源突變體（Mhwa）中，因缺失卵源hwa mRNA，囊胚背部細胞中的Axin不受降解，從而引起β-catenin降解、組織中心不能形成，24小時時的胚胎為沒有頭部和軀干的葫蘆形或洋蔥形。O，組織中心；N，神經外胚層；EP，表皮外胚層；ME，中內胚層。

　　進一步研究結果顯示，早期胚胎中Huluwa蛋白定位在未來背部區域細胞的質膜上，它招募軸蛋白（Axin）后者是與β-catenin結合并導致其降解的關鍵蛋白。與Huluwa結合的軸蛋白將被降解，從而保護β-catenin不被降解而可以轉運到細胞核中發揮作用。過去認為卵子來源的Wnt配體和受體結合產生的信號保護了胚胎未來背部區域的β-catenin，但該研究發現Wnt配體/受體在早期胚胎中很可能不發揮這種作用，Huluwa對β-catenin的保護作用不依賴于Wnt配體/受體信號。因此，Huluwa是發育生物學家長久以來苦苦追尋的一個胚胎背部決定因子。

　　孟安明院士和陶慶華教授為該項研究的共同通訊作者，清華大學生命學院博士生晏璐、博士后陳靜和朱薛辰為共同第一作者；其他共同作者孫嘉偉、吳小童、沈煒敏、張渭瑩也參與了部分實驗工作。該研究得到國家自然科學基金委、中國博士后科學基金以及清華大學自主科研經費資助。