Science︱揭秘静止纤毛在左-右轴发育过程的作用

以下文章来源于北京生物结构前沿研究中心 ，作者李浩田

人体内脏器官的形态和分布是左右不对称的；甚至我们的左右手也是不对称的，比如左右手的指纹和血管……这种左右不对称性或者称之为“左右轴”(left-right axis)在生物界中普遍存在。那么这种左右不对称性是如何建立的呢？

目前认为在斑马鱼小鼠等物种中，左右轴的建立依赖于胚胎发育早期“左右轴组织者”(left-right organizer)的作用，“左右轴组织者”在不同生物中有不同的表现形式（如图2），但都位于脊索后端，如斑马鱼中被称作“Kupffer’s 小泡”，在小鼠中是脊索后端的一个小凹坑，该区域也被称作node。

在小鼠中Node是如何发挥“组织者”功能的呢？其关键在于Node中的两种纤毛细胞（如图3）。Node两侧的纤毛细胞被认为是静止纤毛，不能够产生自发的运动。在Node中央区域的纤毛细胞具有动纤毛，这些纤毛均能够发生顺时针方向的转动，从而产生左向的液体流动（被称作Nodal flow）。这种左向的液体流动则逐渐造成了左右两侧的基因表达差异，并最终导致了左右轴的分化。

那么这种单向的液体流动又是如何造成左右轴差异分化的呢？目前人们认为有两种可能的机制（如图4）。一是化学信号介导的，即左向的液流将某些化学分子运输到了左侧，导致左右两侧化学信号的浓度差异，从而影响了左右轴的基因表达。另一种是机械信号介导的，即左向的液流会导致左右两侧产生不同的机械力，对机械力刺激的不同响应造成了左右两侧分化的差异。但是究竟依靠哪种机制影响的左右轴发育目前并不清楚。

2023年1月，来自日本的Hiroshi Hamada课题组在Science上发表了题为“Immotile cilia mechanically sense the direction of fluid flow for left-right determination”的研究文章，揭示了静止纤毛在左右轴发育过程中的重要作用，即它可以作为机械感受器响应左向的液体流动，阐明了左右轴决定过程的这一关键机制。

首先研究者们要确认node区域左右两侧的静止纤毛细胞究竟是不是会发生形变。他们用紫外照射的方法破坏node区域的运动纤毛，这样胚胎就无法产生nodal flow，从而能够对比nodal flow存在和不存在的情况下纤毛的形变情况。通过对于同一个胚胎的同一根纤毛的图像分析（如图5），他们发现左右两侧的纤毛发生了不同的形变。并且在nodal flow更强的发育时期，这种差异会更加明显。左侧的纤毛会发生偏向腹侧的形变，而右侧纤毛的形变程度则不太明显。

下一步研究者们采用“光镊”的技术，对某一单个细胞的纤毛施加机械刺激（如图6），并且观察该细胞受到刺激后的反应。本研究中，作者们采用的小鼠模型是运动纤毛突变型的小鼠，其不能够产生nodal flow。所谓“光镊”是指一束高度聚焦的激光，可以用来捕获和操纵微小粒子。本实验中用光镊操纵一个直径3.5微米的微珠，并且使这个微珠按照接近生理状态的摆动幅度和频率运动（如图6），从而实现对单个细胞精确地施加机械刺激。

接下来研究者们采用FRAP (Fluorescence recovery after photobleaching)的技术来检测某个细胞受到机械刺激之后的反应（如图7）。原理即是对细胞施加刺激之后进行光漂白，那么荧光恢复的速率被认为和mRNA的水平成正比。实验发现静止纤毛确实能够响应机械刺激，并且受到机械刺激的细胞和对照组相比，荧光恢复的速率会明显变慢，这也说明受到机械刺激后目标mRNA（本文中是Dand5 mRNA）会发生降解。

最后，研究者们还发现受到机械刺激的细胞，其胞内钙信号通路也会发生变化（如图8）。并且他们通过超分辨率荧光显微技术发现钙通道蛋白Pkd2在纤毛的分布具有不对称性，即Pkd2在纤毛上靠近中线的一侧发生富集（如图9），这种不对称的分布可能导致了左右两侧的静止纤毛对左向的液体流动发生不同的响应，从而影响左右轴的分化。最后基于此，研究者们提出了静止纤毛响应机械刺激的模型（如图9）。

综上，研究者们发现了静止纤毛在左右轴发育过程中能够响应关键的Nodal flow所产生的机械刺激，造成下游信号的变化并最终影响左右轴的差异分化，为我们破解左右轴发育的奥秘具有重要意义。

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DOI: 10.1126/science.abq8148

转自：“水木未来资讯”微信公众号

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