神经冠基因调控网络三阶层模块的进化

The origin of vertebrates was accompanied by the advent of a novel cell type: the neural crest. During gastrulation, the boundary between neural plate and non-neural ectoderm expresses Neural-Plate-Border(NPB) specification module. This in turn leads to specification of bona fide migratory and multi-potential neural crest cells via initiating the expression of Neural-Crest(NC) specification module. At last, neural crest cells in different locations expression various differentiation gene batteries and give rise to diverse cell types. It has been proposed that during early vertebrate evolution, the NC specification module might be interposed downstream of the NPB specification module and co-opt differentiation gene batteries pre-existing in various cell types. To test this ‘interposition’ hypothesis, we have examined nearly all conserved transcription factors in C. elegans. It was observed that P and Q neuroblasts do not express any examined NC specifier. However, their migration and differentiation are controlled by core NPB specifiers (Msx/vab-15, Pax3/7/pax-3 and Zic/ref-2). For example, Msx/vab-15 regulates the expression of a likely conserved differentiation gene battery (Brn3/unc-86, DRG11/alr-1, asic/mec-4 and vglut2/eat-4) to control the differentiation of Q neuroblasts to mechanosensory neurons (AVM/PVM). In another word, C. elegans may have two-layer hierarchy of rudimentary NC Gene Regulatory Network. Based on these preliminary data, we will confirm and improve the “NC specification module interposition” hypothesis.

神经冠是伴随着脊椎动物起源而产生的新细胞类型。在原肠胚，神经板两侧与非神经外胚层交界处表达神经板边缘（NPB）特化模块。它们激活一套神经冠特化因子的表达，使NPB细胞分化为具有迁移能力和多潜能的神经冠细胞。最后，不同位置的神经冠细胞表达各种分化基因群，分化为多种细胞类型。“神经冠特化模块嵌入”假说认为，位于这个神经冠基因调控网络顶层的NPB特化模块可能在远古两侧对称动物中就已经存在。随着脊索动物的进化，神经冠特化因子变成被NPB特化模块调控，并且指派了分化基因群。但这一假说还缺乏证据。申请人的前期工作筛查了几乎所有保守的转录因子，发现线虫P和Q神经前体细胞不表达神经冠特化因子，但其细胞迁移和分化特异地受NPB特化模块调控。例如，NPB特化因子调控一个可能保守的分化基因群使Q细胞后代分化为机械感受神经元。以这些初步工作为基础，本课题将进一步验证“嵌入”假说并凝练为“嵌入原始二阶层”模型。

深度同源（deep homology）假说认为在三层基因调控网络中，最高层和最底层调控模块最保守，而中间模块进化最快。神经冠的基因调控网络可划分为三层；神经板边缘特化模块，神经冠特化模块和外周神经分化基因群。已发表的文献表明神经板边缘特化模块在两侧对称动物中保守，而神经冠特化模块在无脊椎动物中不存在。本课题重点是检测外周神经系统中的机械感受细胞分化基因群的保守性。.我们在线虫幼虫中寻找到了与脊椎动物神经板边缘细胞位置相对应的神经前体细胞Q，其后代包括两对机械感受神经元AVM和PVM。本课题的遗传学分析发现线虫Q神经前体细胞和果蝇神经板边缘都需要保守神经板边缘特化因子Msx/vab-15调控保守的机械感受细胞总调控因子Atonal/lin-32这个调控回路，表明蜕皮动物机械感受神经元的发育具有保守的基因调控网络，为以线虫为模型研究两侧对称动物机械感受细胞的进化发育奠定了理论基础。.为了系统地比较研究不同物种的神经板边缘发育过程，我们对线虫机械感受神经元AVM/PVM的基因表达进行了研究，基于本实验室已有的技术手段和实验记录，针对线虫中保守的转录因子进行了表达谱的绘制。该表达谱包括了90%的与人同源的转录因子在机械感受神经元及其邻近细胞的表达情况，通过统计计算我们找到了在机械感受神经元中富集表达的转录因子，遗传研究证实高AVM/PVM富集指数的转录因子Atonh1/LIN-32、Drg11/ALR-1、Gfi1/PAG-3、Lhx5/MEC3和Pou4/UNC-86倾向于在机械感受神经元的发育过程中具有重要作用，其中Gfi1/PAG-3是新的线虫机械感受神经元调控因子，还发现Gfi1/pag-3在Q细胞后代的表达需要保守神经板边缘特化因子Msx/vab-15。这一工作发表在2020年1月《Evolution & Development》杂志。