文昌鱼左右不对称形成及Pax1/9基因在该过程的作用

The establishment of left-right (L-R) asymmetry during early embryogenesis is crucial for the correct positioning and morphogenesis of internal organs. Clarifying the mechanism underlying this process has always been the hot spot of developmental biology. Cilia movement, Ca2+ signaling, Nodal-Lefty-Pitx cascade and many other genes such as Cer, Chordin and Noggin have been shown to play essential roles during the formation of vertebrate L-R asymmetry, but whether they play similar functions in other chordate subphyla is unclear. Amphioxus belongs to Cephalochordates and has simple genome and body plan. Moreover, L-R assymmetry forms very soon after fertilization in amphioxus and is easy to clarify.For these reason, amphioxus is therefore a promising model to address above question. Pax1/9 gene was suggested to be involved in establishment of amphioxus L-R asymmetry in our recent study and the mechanism remains elusive. In the project, we propose to study the function of Pax1/9 gene, cilia movement, Ca2+ signaling, Bmp signaling and Nodal-Lefty-Pitx cascade in the elaboration of amphioxus L-R asymmetry, using methods including Talen-mediated gene mutation, RNAi, over-expression and so on. The result acquired will be of great significance for our understanding of L-R asymmetry formation in amphioxus, and for clarifying the origin of molecular machnism through which vetebrate L-R asymmetry is established.

左右不对称形成是胚胎发育中的重要事件，揭示该事件的发生机制是发育生物学领域研究的热点之一。纤毛运动、Ca2+信号、Nodal-Lefty-Pitx信号链等在脊椎动物左右不对称形成中具有重要功能，然而对于它们是否同样参与脊索动物其它类群左右不对称形成尚缺乏系统研究。文昌鱼隶属头索动物亚门，其基因组和身体构造简单，胚胎发育中左右不对称器官出现早且容易观察，因此是研究上述问题的良好模型。我们最近研究发现，Pax1/9基因参与文昌鱼左右不对称形成，但具体机理还有待进一步深入研究。针对上述问题，本项目将采用基因敲除、过表达和原位杂交等多种手段，对参与文昌鱼纤毛运动、Ca2+信号和Bmp信号的主要成员、以及Nodal、Lefty、Cer及Pax1/9等基因开展深入功能分析。结果将为理解文昌鱼胚胎发育过程中左右不对称形成的机制、阐明脊椎动物左右不对称的起源提供有力数据。

左右不对称形成是胚胎发育中的重要事件，揭示该事件的发生机制一直是发育生物学领域研究的热点。相较于脊椎动物，无脊椎动物左右不对称建立机制尚未得到深入研究。本项目采用基因敲除、过表达和原位杂交等多种手段，对Nodal信号、纤毛运动、Ca2+信号、Bmp信号，以及Pax1/9等在头索动物文昌鱼左右不对称中的功能开展研究，取得以下成果：1）发现Cer、Nodal、Lefty及Pitx基因在文昌鱼左右不对称具有重要作用，进一步阐明了这四个基因在文昌鱼左右不对称建立过程中的相互调控关系。2）发现FoxJ1、Rfx1/2/3、Ift88和Kif17突变均不会影响文昌鱼胚胎纤毛发生，Kif3a突变只影响文昌鱼幼鱼纤毛生长，而对早期胚胎的纤毛发生无明显影响；同时发现上述文昌鱼纤毛基因突变体均未出现左右不对称表型异常。3）发现使用甲基纤维素抑制文昌鱼早期胚胎纤毛运动，可导致其Cer、Nodal、Lefty、Pitx表达异常，并进而引起左右不对称发生紊乱，说明纤毛运动对文昌鱼左右不对称建立至关重要。4）构建了4个针对Pkd2编码区的Talen载体，但发现它们均无法在靶点区域引起突变，所以目前我们尚无法判断Pkd2以及Ca2+信号是否参与文昌鱼左右不对称建立。 5）建立了Bmp信号成员Chordin和Noggin基因的F1突变体种群，证实了Bmp2/4在文昌鱼左右不对称建立中具有重要作用。6）发现过表达Pax1/9基因可引起Nodal、Lefty、Pitx两侧对称表达，但敲除该基因却不会影响上述基因表达及左右不对称发生，说明Pax1/9对文昌鱼Nodal等基因的表达及左侧器官发生是充分的，但不是必须的。部分研究成果已发表在PNAS、Development、JGG等国际知名期刊上，其它研究成果也在相继完善或撰稿中。