原肠胚形成过程稳固性维持的分子和细胞生物学机制解析

All biological processes exhibit a high robustness to achieve relative homeostasis under changing environmental and genetic conditions. As the basis for organismal survival and reproduction, elucidating how the robustness of embryogenesis is established and maintained is critical to understand developmental regulation and abnormality. However, due to the complexity of in vivo development, the mechanism is still poorly understood. To this end, we propose to use C. elegans gastrulation as an excellent in vivo model to study the molecular and cellular mechanisms underlying the robustness of embryogenesis using cutting-edge live imaging and quantitative single-cell analysis approaches. First, we plan to build a quantitative cellular model of C. elegans gastrulation based on systematic cell identification, lineage tracing, phenotypic analysis in a continuously and dynamically manner. This allows us to study gastrulation at unprecedented depth, resolution and precision. Second, we plan to quantify and model the changes and responses of gastrulation process under diverse stress conditions, including temperature, nutrient, metabolism, energy and genetic perturbations. This allows us to reveal the level and manifestation of developmental robustness. Finally, we plan to identify the key molecules and cells that play a major regulatory role in shaping the robustness and to elucidate how they do so by tolerating, correcting and buffering various developmental errors and noises. This allows us to reveal new mechanisms underlying robustness. Together, we envision that the proposed study will contribute to our understanding of the robustness and adaptivity of embryogenesis and provide a new perspective to understand developmental defects and diseases.

生物学过程均具备很强的稳固（稳健）性（robustness），即在多变的环境下保持相对稳定的能力。胚胎发育是个体存活和物种繁衍的基础，解析其稳固性建立和维持的机制是理解正常和异常发育的重要方面，但相关研究仍处于起步阶段。本研究拟采用模式动物线虫胚胎的原肠胚形成过程作为在体模型，利用先进的活体成像和高时空分辨率单细胞表型分析方法，系统解析其稳固性建立与维持的机制。拟开展以下研究：第一，通过连续、动态地分析细胞的发育行为和动态变化模式，建立原肠胚形成过程的单细胞定量模型；第二，模拟多类条件并解析该定量模型在正常与应激条件下的变化规律，揭示原肠胚形成过程稳固性的强度和表现形式；第三，系统鉴定在稳固性维持中发挥关键作用的分子和细胞，解析它们在容受、校正和缓冲原肠胚形成过程中的变异和错误中的功能和机制。本研究的开展为深入理解发育稳定性和适应性提供重要帮助，并为从新的视角研究发育缺陷和疾病提供线索。

鉴定并解析重要的分子、细胞及发育事件在重要发育过程的发生、发展、稳固性及一致性维持中的功能是发育生物学研究的核心问题，但系统层次的研究有待深入。本课以秀丽线虫为在体模型，在单细胞水平和系统层次探究了原肠胚发生过程的分子及细胞调控过程及其稳固性建立机制。课题的实施较好地完成了既定目标，获得如下重要发现：第一，建立了原肠胚发生的细胞动态模型并量化了胚胎间变异程度，在系统层次揭示了原肠胚发生的发育时空调控特征；揭示了细胞谱系来源、空间定位、胚胎左-右对称性、前体细胞命运决定、细胞粘连分子等对于维持原肠胚发生的一致性发挥重要作用。第二，规模化解析了原肠胚发生过程中重要调控基因（转录因子与细胞运动调控蛋白）的动态表达和时空定位模式，并解析了细胞染色质的动态变化基本模式；发现多个转录因子在内陷及其前体细胞特异表达，为理解与解析原肠胚发生的细胞特异性调控奠定基础；发现ETS家族转录因子AST-1/ERG/FLI1特异性调控口腔前体细胞的内陷。第三，开展了较大规模的候选基因敲降和单细胞发育表型分析，发现多个基因参与调控特定细胞的内陷过程，并鉴定了多个新基因，如src-1/FNY/SRC和klp-15/16/KIFC3；进一步，利用单细胞表型数据，分析了原肠胚发生的系统性调控特性，发现内陷细胞依据时间和谱系身份划分为不同调控模块，提示谱系相关机制在协同细胞内陷的时序调控中发挥重要作用；发现细胞具有广泛的可塑性，通过校正、协同和缓冲等多种方式缓解细胞表型异常以增强原肠胚发生过程的稳固性。通过本课题的实施，在Nature Methods，Molecular Systems Biology和Cell Reports杂志发表研究论文3篇，培养博士研究生3名。本课题实施实现了从新的角度认识原肠胚发生过程的分子和细胞调控过程，及其稳固性和适应性建立机制，有益于系统理解发育稳态维持的动态调控过程。