以线虫为模型研究神经冠细胞命运的基因调控网络及其进化机制

The neural crest comprises multipotent precursor cells that are induced at the neural plate border (NBP) at late gastrulation and migrate away from neural tube during neurulation. However, the gene regulatory network (GRN) underlying this critical developmental process and how it originated are not well understood. Although neural crest is essentially a vertebrate innovation, we recently revealed the conservation of specification module from worm Q neuroblasts to vertebrate NPB, suggesting that the GRN underlying the development of neural crest lineage is derived from an ancient GRN that existed in the common ancestor of worm and vertebrate. Based on this hypothesis, this grant aims to use worm Q neuroblasts as a genetic model to investigate the molecular mechanism underlying neural crest development in vertebrate. Our preliminary data revealed ECT2/ECT-2, a Guanine Exchange Factor (GEF) which is responsible for Q neuroblasts migration in C. elegans, plays a critical role not only in neural crest cell migration, but also in neural crest cell fate specification. This grant will elucidate the gene regulatory network and signaling pathway by which ECT2/ECT-2 regulates neural crest specification. Furthermore, the applicant will investigate the biochemical and molecular mechanisms underlying the gain-of-function of ECT2/ECT-2 during evolution.

神经冠细胞是来源于神经板边缘（NPB）的过渡细胞，迁离神经管后会分化出包括外周神经系统在内的多种组织。控制神经冠细胞谱系发生的基因调控网络及其进化过程目前仍很不清晰。虽然神经冠为脊椎动物所特有，但是申请人以前的研究表明线虫的外周神经前体细胞Q与脊椎动物的NBP共享一套保守的调控模块，提示两侧对称动物外周神经系统前体的基因调控网络有共同起源。基于这个理论，本项目利用线虫的Q细胞为模型鉴定更多的调控脊椎动物神经冠发育的保守基因，探索外周神经系统前体进化发育的分子机制。本项目组的前期工作鉴定出鸟苷酸置换因子（Guanine Exchange Factor, GEF）ECT2/ECT-2是脊椎动物神经冠细胞命运决定的一个关键因子。本项目将继续阐明ECT2/ECT-2调控神经冠命运决定的基因调控网络、信号通路和获得新功能的分子进化过程。

我们已经鉴定出鸟苷酸置换因子（Guanine Exchange Factor, GEF）ECT2/ECT-2是一个在两侧对称动物的外周神经系统（Peripheral Nervous Systems, PNS）前体起作用的一个保守因子。在线虫和爪蟾，ECT2/ECT-2都是特异地表达在侧神经缘（lateral neural border），两侧对称动物个体发育时最早出现的PNS前体细胞。这一特异表达模式被保守的侧神经缘特化因子Max/vab-15调控。还有，ECT2/ECT-2在这两种两次对称动物都负责侧神经缘及其后代细胞的迁移，而且这一功能依赖其保熟的DH和PH结构域。然而在爪蟾，ECT2也特化神经冠。神经冠是脊椎动物特异的，位于侧神经缘和分化的PNS之间的中间细胞类型。有意思的是，神经冠特化不依赖于ECT2蛋白保守的DH和PH结构域，而且线虫ECT-2蛋白不能拯救拯救爪蟾的ECT2敲低表型。我们推测，脊椎动物的ECT2/ECT-2蛋白进化出了新序列负责特化神经冠。比较两侧对称动物ect2/ect-2基因，我们发现了一个只存在于脊椎动物的编码31个氨基酸的可变剪切外显子。只有携带这31个氨基酸的脊椎动物ECT2/ECT-2蛋白异构体（isoform）才有神经冠特化活性。然而，神经冠和这个ect-2基因上的93-bp外显子在进化上并不是同时出现。不但所有的无脊椎动物ECT2/ECT-2基因没有这个编码31氨基酸的外显子，最低等的脊椎动物七鳃鳗的ECT2/ECT-2基因也没有，虽然七鳃鳗已经有神经冠细胞。在爪蟾的异种拯救实验表明，没有那个31氨基酸的七鳃鳗ECT2/ECT-2蛋白仍然有特化神经冠的活性，提示最早进化出的神经冠的命运决定机制不需要这31个氨基酸。总之，通过鉴定出新的神经冠特化因子ECT2/ECT-2已及随后的分子发育生物学分析，我们阐明了一个伴随神经冠出现的ECT/ECT-2获得新功能的生化分子机制。这些结果正撰写论文，准备投稿。