文昌鱼胚胎发育过程中Cerberus基因左右不对称表达的调控机制

Left-right axis formation is essential for animal development, and clarifying mechanisms underling the process represents one of the most important issues in the fields of both developmental and morphological biology. Cerberus plays key roles in the establishment of vertebrate left-right asymmetry and is the earliest asymmetrically expressed gene identified so far. However, questions about how Cerberus is transcriptionally regulated and how its asymmetric expression is achieved remain open. Amphioxus is an excellent model to address these issues due to its key phylogenetic position among chordates, together with its relatively simple embryogenesis and genome structure. Importantly, our previous studies have shown that Cerberus is expressed and acts similarly in amphioxus embryo like its vertebrate cognates. In this proposal, we will make comprehensive analysis on the regulatory mechanisms controlling Cerberus asymmetric expression in amphioxus. The outcome of our project will provide direct evidences for understanding the regulatory mechanism of Cerberus gene in vertebrates and will also shed essential insights into how the regulatory mechanism of Cerberus gene has evolved among chordates.

动物胚胎左右不对称建立是个体发生过程中的重要事件，开展其机制研究是发育生物学的重要命题之一。Cerberus是脊椎动物左右轴建立的重要参与者，也是脊椎动物胚胎发育过程中最早出现不对称表达的基因。然而有关Cerberus不对称表达及转录调控是如何实现的尚有待深入研究。文昌鱼进化地位独特、躯体透明、幼体器官左右不对称特征明显，是研究胚胎左右轴建立的良好模型。在本研究中，我们将采用基因敲除、过表达、转基因、小分子药物处理、原位杂交等技术方法，对文昌鱼Cerberus基因不对称表达及转录调控机制作深入分析。本项目将：（1）为揭示脊椎动物Cerberus不对称表达及转录调控机制及其起源提供有力证据；（2）发表3-4篇高水平研究论文；（3）培养6名研究生。

动物胚胎左右不对称建立是个体发生过程中的重要事件，开展其机制研究是发育生物学的重要命题之一。Cer是脊椎动物左右轴建立的重要参与者，也是脊椎动物胚胎发育过程中最早出现不对称表达的基因。然而有关Cer不对称表达及转录调控是如何实现的尚有待深入研究。文昌鱼进化地位独特、躯体透明、幼体器官左右不对称特征明显，是研究胚胎左右轴建立的良好模型。更重要的是，我们先前的研究发现Cer也是文昌鱼胚胎发育过程中最早出现左右不对称表达的基因，并且在文昌鱼左右不对称建立过程中扮演重要角色。在本研究中我们采用基因敲除、过表达、转基因、小分子药物处理、原位杂交等技术方法，对文昌鱼Cer基因不对称表达及转录调控机制作深入分析，并发现1）与脊椎动物不同，文昌鱼Cer mRNA不对称表达主要发生在转录层面，其核心调控区位于该基因转录起始位点上游的1.5kb区域；2）Notch信号和Bra蛋白不参与文昌鱼Cer转录调控，而Hh和Wnt-β-catenin信号分别正向和负向调控该基因的转录；3）文昌鱼Cer转录核心调控区可以驱动报告基因在斑马鱼脑区前端特异表达，但无法驱动报告基因在斑马鱼Cer同源基因Charon 内源表达区域Kupffer's vesicle处表达；4）文昌鱼Cer转录核心调控区存在多个Gli和Tcf结合位点，目前正对它们的功能开展分析。以上结果显示，文昌鱼Cer基因与脊椎动物Cer基因的左右不对称表达调控机制存在较大差异，这为阐述Cer基因在脊椎动物中左右不对称表达调控的机制及其演化提供了重要数据。部分研究成果已发表在Development、BMC Biology等国际知名期刊上，其它研究成果也在相继完善或撰稿中。