当前位置：首页 > 详细信息 王强团队解析弓动脉祖细胞增殖和分化的平衡调控机制
作者：CZRC 发布时间：2023/2/9 3:00:00
弓动脉（Pharyngeal arch arteries，PAAs）连接脊椎动物胚胎心脏和背主动脉，是胚体血液循环的重要组成部分。在胚胎发育过程中，位于侧板中胚层第二心区表达转录因子Nkx2.5的一部分细胞迁移至体轴中线，参与心脏流出道的形成，另一部分细胞滞留在咽区，聚集形成数个两侧对称的细胞团，称为弓动脉祖细胞[1, 2]。随后，弓动脉祖细胞增殖、分化为成血管细胞，并进一步成熟为血管内皮细胞，最终与背主动脉连接，形成功能性血管结构[1]。弓动脉形成后还要经历剧烈的重塑，最终形成主动脉、肺动脉、颈动脉和锁骨下动脉等大动脉血管，其发育缺陷是先天性心血管疾病的主要成因之一，每年导致数百万新生儿和儿童死亡[3]。心脏大动脉血管发育缺陷包括颈动脉异常、主动脉弓中断、主动脉缩窄、开放性动脉导管、永存动脉干、肺动脉发育不全及右锁骨下动脉异常起源等，多数病因不明[1,2]。因此，弓动脉发育的细胞和分子机制，是当前生命健康研究领域的前沿，具有重要的科学意义和现实需求。
组织器官发育过程中，干/祖细胞的增殖和分化受到了严格的平衡调控，确保产生恰当的细胞数目和细胞类型，对于正确形成器官结构和功能至关重要。近年来的研究发现，细胞周期蛋白质机器和发育分化关键因子互作， 从而将细胞周期动态变化和细胞命运决定紧密联系起来。具体而言，因为 G1 期存在有利于激活细胞转录程序的表观遗传修饰和染色质结构，所以在存在发育信号的情况下，干/祖细胞优先在 G1 期做出细胞命运决定[4]。近年来，王强团队发现咽囊和咽囊来源的BMP2a和BMP5为弓动脉祖细胞的形成提供了一个合适的微环境（PLoS Genetics, 2019；Development, 2021）；咽囊表达分泌的PDGF和Cxc12信号对于促进弓动脉成血管细胞增殖和分化至关重要（Journal of Genetics and Genomics, 2019；Development, 2022）。这些发现表明，弓动脉细胞的增殖和分化缺陷均可引起心血管畸形。但是，发育信号如何与细胞周期蛋白质机器相联系，平衡调控弓动脉祖细胞增殖和分化？弓动脉祖细胞经历快速增殖后，如何减缓细胞周期，从而进入细胞分化的程序？这些关键的科学问题还有待于进一步揭示。
2023年2月2日，华南理工大学医学院王强教授课题组在Nature Cardiovascular Research以研究长文（Article）在线发表了题为"Tmem88 confines ectodermal Wnt2bb signaling in pharyngeal arch artery progenitors for balancing cell cycle progression and cell fate decision" 的研究论文。该研究发现弓动脉祖细胞的增殖和向成血管细胞分化呈负相关，并且受到Tmem88-Wnt 信号通路下游细胞周期蛋白质机器的精密调控。Tmem88缺失导致弓动脉祖细胞中Wnt信号异常增强，引起其下游靶基因Cyclin D1过度表达；Cyclin D1-CDK4/6通过加速G1/S转变促进祖细胞增殖，同时磷酸化Nkx2.5/Smad3抑制其转录活性，抑制祖细胞向成血管细胞分化，从而揭示了弓动脉祖细胞增殖和分化的平衡调控分子机制。
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经筛选，团队发现编码跨膜蛋白的tmem88a和tmem8b（tmem88a/b）在弓动脉祖细胞特异表达，并随着祖细胞向成血管细胞分化表达降低或消失。因此，tmem88a/b可以做为弓动脉祖细胞新的标识基因。更为重要的是，tmem88a/b-/-双突变体胚胎弓动脉血流中断，血管变细或完全缺失。进一步研究发现，tmem88a/b-/-突变体的弓动脉发育缺陷是由于祖细胞G1/S转换加快，增殖过多，而向成血管细胞分化受阻所导致的（图1）。因此，弓动脉祖细胞的增殖和分化呈负相关。
以前的研究表明，Tmem88主要通过其C端的PDZ结构域抑制Wnt/β-catenin 信号通路[5]。的确，在tmem88a/b-/-突变体弓动脉祖细胞中，Wnt/β-catenin信号活性异常，而通过小分子抑制剂处理及过表达Wnt信号抑制性蛋白可以拯救tmem88a/b-/-突变体弓动脉发育缺陷。发现Tmem88通过调控Wnt/β-catenin 信号影响PAA形成。有意思的是，Wnt信号小分子激活剂梯度处理野生型胚胎， 导致弓动脉祖细胞持续增多，向成血管细胞分化逐渐减弱，进一步证明Wnt信号在促进祖细胞增殖，抑制其分化中的关键作用。通过蛋白共沉淀、体外磷酸化、荧光素酶报告基因检测等技术，发现tmem88a/b-/-突变体弓动脉祖细胞中cyclin D1的表达显著升高。Cyclin D1激活CDK4激酶活性，一方面促进祖细胞增殖，另一方面磷酸化Nkx2.5及Smad3保守的丝氨酸位点，抑制其转录活性，从而阻滞祖细胞向成血管细胞分化。
图1 tmem88a/b-/-突变体弓动脉发育异常，是由于祖细胞增殖过多，向成血管细胞分化受阻所导致的。
图1 tmem88a/b-/-突变体弓动脉发育异常，是由于祖细胞增殖过多，向成血管细胞分化受阻所导致的。
另外一个有待解决的科学问题是，弓动脉祖细胞快速增殖后，如何使得细胞周期变缓，从而向成血管细胞分化。进一步的研究揭示，弓动脉祖细胞快速增殖后，临近的咽囊通过表达TGF-β配体，激活祖细胞TGF-β信号及其下游基因p15表达。p15抑制 CDK4激酶活性，一方面减缓了祖细胞增殖，另一方面解除了对 Smad3 转录活性的抑制。Smad3可以直接结合在etv2基因启动子区，驱动祖细胞向成血管细胞分化。
在胚胎发育过程中，一个关键的科学问题是位于不同区域的细胞如何对形态发生素或信号分子做出不同反应以获得特定的命运。例如，上皮细胞粘附分子 (EpCAM) 是赋予特定内胚层细胞响应肝脏诱导信号 Wnt2bb的关键蛋白[6]。王强教授团队发现 wnt2bb 基因也在覆盖弓动脉祖细胞的咽区外胚层表达。然而，与增强肝脏祖细胞 Wnt 通路的 EpCAM 相比，Tmem88负责限制弓动脉祖细胞对外胚层 Wnt2bb 信号的反应，从而精确控制细胞增殖和分化之间的平衡。Tmem88的功能，类似于著名的中国古代神话《八仙过海》，神仙们所使用各种法器，通过压制海上的过大风浪（抑制Wnt信号过度激活），从而成功渡海（平衡细胞增殖和分化）（图2）。
图2 Tmem88限制弓动脉祖细胞对外胚层 Wnt2bb 信号的反应，精确控制细胞增殖和分化之间的平衡
图2 Tmem88限制弓动脉祖细胞对外胚层 Wnt2bb 信号的反应，精确控制细胞增殖和分化之间的平衡
中国科学院动物研究所张明明博士为论文第一作者，华南理工大学医学院王强教授为论文通讯作者。
专家点评
张传茂 （北京大学生命科学学院博雅特聘教授）
干/祖细胞是生物体发育、稳态和再生过程中的一类重要细胞类型，由于不同的调控方式呈现不同的命运与生物学效应。干/祖细胞增殖与分化之间的平衡是由细胞周期进程和细胞命运决定之间的协同调控来完成的。阐明干/祖细胞增殖与分化的细胞周期调控机制，是生命科学领域的国际前沿问题。在这篇论文中，华南理工大学医学院王强教授课题组以斑马鱼为模式动物，发现在心脏大血管发育过程中，弓动脉祖细胞的增殖和分化呈负相关；Wnt通过促进其靶基因Cyclin D1表达，激活CDK4激酶活性，从而一方面促进祖细胞增殖，另一方面磷酸化转录因子Nkx2.5和Smad3，抑制其转录活性，阻滞祖细胞向成血管细胞分化。更为重要的是，他们发现跨膜蛋白Tmem88通过抑制Wnt信号，精密的调控弓动脉祖细胞增殖和分化的发育动态平衡。
快速增殖的干/祖细胞如何进入定向分化的命运同样是一个重要的科学问题，但目前所知甚少。该论文的另一个亮点，是发现咽囊上皮细胞通过表达TGF-β配体，激活快速增殖的祖细胞中TGF-β信号，促进p15表达，抑制 CDK4激酶活性，不但减缓了祖细胞增殖，还解除了对 Smad3 转录活性的抑制，驱动祖细胞向成血管细胞分化。这些发现，对理解细胞周期调控细胞命运决定机制提供了新的思路和见解。
专家点评
杜杰（首都医科大学附属北京安贞医院教授）
心血管的发育异常所致先天性心血管疾病包括房间隔缺损、室间隔缺损、主动脉瓣狭窄、主动脉缩窄、动脉导管未闭，内脏异位综合征等，是新生儿和儿童死亡的主要原因。心脏大动脉血管由主动脉、肺动脉、颈动脉和锁骨下动脉等组成，由胚胎期的弓动脉发育而来。因此，阐明弓动脉发育的分子调控机制，对于了解重大心血管疾病发生的病理机理，以期在早期诊断、预警及治疗方面产生重大突破，具有重要意义。
华南理工大学医学院王强教授团队近日在Nature Cardiovascular Research发表的论文在弓动脉祖细胞增殖和分化平衡调控的分子机制方面取得了重要进展。该研究团队发现跨膜蛋白Tmem88在弓动脉发育中具有关键作用，缺失Tmem88导致祖细胞增殖过多，成血管细胞分化受阻，造成大动脉变细或缺失。他们还系统解析了其中的细胞和分子机制，发现Tmem88通过抑制Wnt 信号及其靶基因细胞周期蛋白Cyclin D1表达，避免祖细胞中CDK4过度激活。如果CDK4过度激活，将促进祖细胞大量增殖，同时通过磷酸化 Nkx2.5/Smad3 抑制成血管细胞分化。这项研究不仅阐明了弓动脉祖细胞增殖和分化的发育动态平衡机制，而且所鉴定的重要基因和信号通路有希望成为相关先天性心血管疾病的潜在诊断和治疗靶点。.
尤其可贵的是，近年来，王强教授团队利用斑马鱼体外发育的特点，在弓动脉发育方面做出了一系列有特色的研究工作：鉴定了咽囊前体细胞，发现咽囊与弓动脉在空间上邻近，咽囊来源的BMP2a和BMP5为弓动脉祖细胞的形成提供了一个合适的微环境（PLoS Genetics, 2019; Development, 2021）；咽囊表达分泌的PDGF和Cxc12信号对于促进弓动脉成血管细胞增殖和分化至关重要（Journal of Genetics and Genomics, 2019；Development, 2022）。期望王强教授团队将来的研究工作继续聚焦心血管发育与稳态维持前沿科学问题，更多的与心血管临床疾病相结合，在解析疾病发生、发展和重构的调控机制方面取得重大进展。
专家点评
罗凌飞（西南大学发育生物学与再生医学研究中心教授）
干/祖细胞的增殖和分化如何进行精细的平衡调控，以确保生成正常数目的不同谱系的细胞，是胚胎发育中的重要问题。虽然细胞周期和细胞命运决定的协同调控机制已经有较多了解，但大部分研究是在体外细胞培养体系中进行。这两个过程在胚胎体内是如何协调的，目前所知有限。
近日，Nature Cardiovascular Research报道了华南理工大学医学院王强教授团队研究成果，该成果以斑马鱼为模式动物，揭示胚胎发育过程中弓动脉祖细胞增殖和分化的平衡调控机制。该项工作首先发现，tmem88a/b-/- 突变体胚胎弓动脉祖细胞增殖过多，而向成血管细胞分化受阻。进一步研究发现，tmem88a/b敲除后来自咽区外胚层的Wnt2bb信号在弓动脉祖细胞中被异常激活，促进祖细胞中细胞周期蛋白Cyclin D1表达，进而一方面加速G1/S转换以促进祖细胞增殖，另一方面通过激活CDK4激酶活性使得Nkx2.5/Smad3磷酸化以抑制成血管细胞分化。通过以上机制，Tmem88限制了弓动脉祖细胞中咽区外胚层Wnt2bb配体所激活的Wnt信号，确保细胞增殖和分化之间的平衡。该论文系统解析了干/祖细胞增殖和分化的有效协同与胞外信号的精确调控机制，对于认识和控制干/祖细胞的自我更新、定向分化、组织器官形成与损伤修复等具有重要意义。
临近的不同前体细胞如何对诱导信号分子做出不同响应以获得不同命运，是发育生物学的重要科学问题。我本人实验室在消化器官肝胰肠前体细胞命运协调与对抗的三国演义中开展工作，先后发现不同机制。例如：内胚层细胞通过表达特许因子EpCAM，使得它们具备了响应来自轴旁中胚层的Wnt2bb肝向诱导信号的能力，而信号周围其它细胞类型由于缺乏EpCAM而不具备响应能力（Dev Cell, 2013）；再例如：紧邻肝脏前体细胞的前肠前体细胞表达Cdx，Cdx通过激活Wnt抑制因子表达，避免前肠前体细胞被Wnt信号错误诱导为肝细胞（PNAS, 2022）。无独有偶，王强教授课题组的该项研究发现Wnt2bb在咽区外胚层表达，而Tmem88的作用与EpCAM相反而与Cdx类似，限制弓动脉祖细胞对Wnt2bb信号的反应，从而确保弓动脉祖细胞增殖和分化之间的平衡。此外，鉴于Wnt信号在多种器官发育中的关键作用，该论文提示Wnt信号可能在多种器官协调细胞增殖和分化方面具有类似功能。
参考文献：
1. Paffett-Lugassy, N. et al. Heart field origin of great vessel precursors relies on nkx2.5-mediated vasculogenesis. Nature Cell Biology. 15, 1362-1369 (2013).
2. Mao, A. et al. Pharyngeal pouches provide a niche microenvironment for arch artery progenitor specification. Development. 148, dev192658 (2021).
3. Kodo, K. & Yamagishi, H. A decade of advances in the molecular embryology and genetics underlying congenital heart defects. Circ J. 75, 2296-2304 (2011).
4. Kau, T., et al. Aortic development and anomalies. Seminars in interventional radiology. 24, 141-152 (2007).
5. Lee, H. J. et al. Identification of transmembrane protein 88 (TMEM88) as a dishevelled-binding protein. The Journal of biological chemistry. 285, 41549-41556 (2010).
6. Lu, H. et al. EpCAM is an endoderm-specific Wnt derepressor that licenses hepatic development. Dev Cell. 24, 543-553 (2013).
专家点评
张传茂 （北京大学生命科学学院博雅特聘教授）
干/祖细胞是生物体发育、稳态和再生过程中的一类重要细胞类型，由于不同的调控方式呈现不同的命运与生物学效应。干/祖细胞增殖与分化之间的平衡是由细胞周期进程和细胞命运决定之间的协同调控来完成的。阐明干/祖细胞增殖与分化的细胞周期调控机制，是生命科学领域的国际前沿问题。在这篇论文中，华南理工大学医学院王强教授课题组以斑马鱼为模式动物，发现在心脏大血管发育过程中，弓动脉祖细胞的增殖和分化呈负相关；Wnt通过促进其靶基因Cyclin D1表达，激活CDK4激酶活性，从而一方面促进祖细胞增殖，另一方面磷酸化转录因子Nkx2.5和Smad3，抑制其转录活性，阻滞祖细胞向成血管细胞分化。更为重要的是，他们发现跨膜蛋白Tmem88通过抑制Wnt信号，精密的调控弓动脉祖细胞增殖和分化的发育动态平衡。
快速增殖的干/祖细胞如何进入定向分化的命运同样是一个重要的科学问题，但目前所知甚少。该论文的另一个亮点，是发现咽囊上皮细胞通过表达TGF-β配体，激活快速增殖的祖细胞中TGF-β信号，促进p15表达，抑制 CDK4激酶活性，不但减缓了祖细胞增殖，还解除了对 Smad3 转录活性的抑制，驱动祖细胞向成血管细胞分化。这些发现，对理解细胞周期调控细胞命运决定机制提供了新的思路和见解。
专家点评
杜杰（首都医科大学附属北京安贞医院教授）
心血管的发育异常所致先天性心血管疾病包括房间隔缺损、室间隔缺损、主动脉瓣狭窄、主动脉缩窄、动脉导管未闭，内脏异位综合征等，是新生儿和儿童死亡的主要原因。心脏大动脉血管由主动脉、肺动脉、颈动脉和锁骨下动脉等组成，由胚胎期的弓动脉发育而来。因此，阐明弓动脉发育的分子调控机制，对于了解重大心血管疾病发生的病理机理，以期在早期诊断、预警及治疗方面产生重大突破，具有重要意义。
华南理工大学医学院王强教授团队近日在Nature Cardiovascular Research发表的论文在弓动脉祖细胞增殖和分化平衡调控的分子机制方面取得了重要进展。该研究团队发现跨膜蛋白Tmem88在弓动脉发育中具有关键作用，缺失Tmem88导致祖细胞增殖过多，成血管细胞分化受阻，造成大动脉变细或缺失。他们还系统解析了其中的细胞和分子机制，发现Tmem88通过抑制Wnt 信号及其靶基因细胞周期蛋白Cyclin D1表达，避免祖细胞中CDK4过度激活。如果CDK4过度激活，将促进祖细胞大量增殖，同时通过磷酸化 Nkx2.5/Smad3 抑制成血管细胞分化。这项研究不仅阐明了弓动脉祖细胞增殖和分化的发育动态平衡机制，而且所鉴定的重要基因和信号通路有希望成为相关先天性心血管疾病的潜在诊断和治疗靶点。.
尤其可贵的是，近年来，王强教授团队利用斑马鱼体外发育的特点，在弓动脉发育方面做出了一系列有特色的研究工作：鉴定了咽囊前体细胞，发现咽囊与弓动脉在空间上邻近，咽囊来源的BMP2a和BMP5为弓动脉祖细胞的形成提供了一个合适的微环境（PLoS Genetics, 2019; Development, 2021）；咽囊表达分泌的PDGF和Cxc12信号对于促进弓动脉成血管细胞增殖和分化至关重要（Journal of Genetics and Genomics, 2019；Development, 2022）。期望王强教授团队将来的研究工作继续聚焦心血管发育与稳态维持前沿科学问题，更多的与心血管临床疾病相结合，在解析疾病发生、发展和重构的调控机制方面取得重大进展。
专家点评
罗凌飞（西南大学发育生物学与再生医学研究中心教授）
干/祖细胞的增殖和分化如何进行精细的平衡调控，以确保生成正常数目的不同谱系的细胞，是胚胎发育中的重要问题。虽然细胞周期和细胞命运决定的协同调控机制已经有较多了解，但大部分研究是在体外细胞培养体系中进行。这两个过程在胚胎体内是如何协调的，目前所知有限。
近日，Nature Cardiovascular Research报道了华南理工大学医学院王强教授团队研究成果，该成果以斑马鱼为模式动物，揭示胚胎发育过程中弓动脉祖细胞增殖和分化的平衡调控机制。该项工作首先发现，tmem88a/b-/- 突变体胚胎弓动脉祖细胞增殖过多，而向成血管细胞分化受阻。进一步研究发现，tmem88a/b敲除后来自咽区外胚层的Wnt2bb信号在弓动脉祖细胞中被异常激活，促进祖细胞中细胞周期蛋白Cyclin D1表达，进而一方面加速G1/S转换以促进祖细胞增殖，另一方面通过激活CDK4激酶活性使得Nkx2.5/Smad3磷酸化以抑制成血管细胞分化。通过以上机制，Tmem88限制了弓动脉祖细胞中咽区外胚层Wnt2bb配体所激活的Wnt信号，确保细胞增殖和分化之间的平衡。该论文系统解析了干/祖细胞增殖和分化的有效协同与胞外信号的精确调控机制，对于认识和控制干/祖细胞的自我更新、定向分化、组织器官形成与损伤修复等具有重要意义。
临近的不同前体细胞如何对诱导信号分子做出不同响应以获得不同命运，是发育生物学的重要科学问题。我本人实验室在消化器官肝胰肠前体细胞命运协调与对抗的三国演义中开展工作，先后发现不同机制。例如：内胚层细胞通过表达特许因子EpCAM，使得它们具备了响应来自轴旁中胚层的Wnt2bb肝向诱导信号的能力，而信号周围其它细胞类型由于缺乏EpCAM而不具备响应能力（Dev Cell, 2013）；再例如：紧邻肝脏前体细胞的前肠前体细胞表达Cdx，Cdx通过激活Wnt抑制因子表达，避免前肠前体细胞被Wnt信号错误诱导为肝细胞（PNAS, 2022）。无独有偶，王强教授课题组的该项研究发现Wnt2bb在咽区外胚层表达，而Tmem88的作用与EpCAM相反而与Cdx类似，限制弓动脉祖细胞对Wnt2bb信号的反应，从而确保弓动脉祖细胞增殖和分化之间的平衡。此外，鉴于Wnt信号在多种器官发育中的关键作用，该论文提示Wnt信号可能在多种器官协调细胞增殖和分化方面具有类似功能。
参考文献：
1. Paffett-Lugassy, N. et al. Heart field origin of great vessel precursors relies on nkx2.5-mediated vasculogenesis. Nature Cell Biology. 15, 1362-1369 (2013).
2. Mao, A. et al. Pharyngeal pouches provide a niche microenvironment for arch artery progenitor specification. Development. 148, dev192658 (2021).
3. Kodo, K. & Yamagishi, H. A decade of advances in the molecular embryology and genetics underlying congenital heart defects. Circ J. 75, 2296-2304 (2011).
4. Kau, T., et al. Aortic development and anomalies. Seminars in interventional radiology. 24, 141-152 (2007).
5. Lee, H. J. et al. Identification of transmembrane protein 88 (TMEM88) as a dishevelled-binding protein. The Journal of biological chemistry. 285, 41549-41556 (2010).
6. Lu, H. et al. EpCAM is an endoderm-specific Wnt derepressor that licenses hepatic development. Dev Cell. 24, 543-553 (2013).