程序性细胞死亡在发育中的新功能

来源：BioArt

99%的动物物种都具有两侧对称。以往研究表明左右两侧祖细胞产生的细胞将主要保持在有机体的同侧，并不发生左右侧混合【1】。尽管这种拓扑式细胞命运限制在许多动物物种进化中保守，但是同侧性的机制目前尚不清楚。尤其是在鸟类和哺乳动物中，原肠细胞经历上皮-间充质转化（epithelial-mesenchymal transition，EMT）形成具有高度迁移性和侵袭性的间充质细胞【2】，如何防止左-右细胞的混合有待于进一步的研究。

近日，加州大学旧金山分校的Takashi Mikawa在Science杂志发表文章 Programmed cell death along the midline axis patterns ipsilaterality in gastrulation，利用全胚胎活体影像技术对鸡的胚胎发育进行研究，发现尽管细胞经历了高度侵袭性的间充质转化和细胞迁移，但鸟类原肠胚形成的胚层模式具有同侧性。沿着胚胎中线的细胞外基质（ECM）和程序性细胞死亡（PCD）抑制对侧侵袭的发生，而抑制中线ECM和PCD导致原肠胚同侧性的丢失，外源性诱导PCD可恢复原肠胚的同侧性。这一研究揭示了同侧性是两侧对称的组成部分，程序性细胞死亡在发育中具有积极作用。

研究人员使用鸡胚作为模式系统，利用全胚胎活体影像技术对原肠胚期细胞运动模式进行观察。原条（primitive streak，PS）是胚层形成的管道，定义了胚胎的左右间隔。结果显示，荧光标记的左、右外胚层细胞向PS移动并进行EMT转化，大多数进入的细胞从PS移向同侧，左、右侧间充质细胞之间混合极少，有效地建立了两侧间隔及同侧性。移植实验显示，左侧的外胚层细胞移植到右侧，移植物能够形成右侧的外胚层，而不是左侧的，即同侧性受到环境调控，而不是细胞自主调控。移植的外胚层细胞能够自由迁移直至到达PS中线，在PS中线周围形成边界，或是阻止左右细胞混合的原因。

为了进一步探究PS中线在同侧性中的作用，研究人员利用多光子活体成像对外胚层细胞进行追踪，发现当细胞接近中线时，凋亡细胞膜泡增多；外胚层程序性细胞死亡（programmed cell death，PCD）广泛分布于早期原肠胚，并在后期的中线附近富集。中线PCD持续存在，且不遵循典型的清道夫细胞介导的细胞尸体清除过程。中线PCD或作为障碍，指导原肠胚的同侧性。细胞追踪显示发生PCD的原条中线细胞起源于原条后部区域，从原条后部加入caspase抑制剂P53（抑制PCD）导致对侧侵袭的出现，即中线PCD对同侧性原肠胚形成是必需的。

细胞外基质（ECM）抑制细胞运动，参与程序性细胞死亡。研究发现ECM在原条（PS）侧面表达，但在PS中线处富集，而膜结合的MMP-15在PS侧面表达高于PS中线。两者的表达模式具有互补性，表明MMP-15或能调控ECM。为了探究ECM在原肠胚同侧性的作用，在外胚层细胞中缺失laminin并进行移植试验。结果显示缺失laminin导致对侧侵袭增加，而caspase3抑制剂处理进一步增加对侧侵袭，说明存在额外的ECM蛋白参与抑制对侧侵袭。此外，过表达MMP-15导致中线ECM大量丢失，导致对侧侵袭大大增加。

既然PCD和ECM对于原肠胚同侧性都是必需的，那么两者间是否存在相互作用？中线缺失laminin导致中线PCD降低，考虑到PCD能够在整个胚胎盘中发生，中线PCD起源于原条后部细胞，那么ECM可能是PCD沿着中线排列所必需的。在中线laminin缺失的胚胎中诱导PCD足够抑制对侧侵袭，恢复中线ECM缺失胚胎的同侧性。即ECM和PCD对原肠胚同侧性形成具有必需性，但只有PCD对恢复原肠胚同侧性具有充分性。因此，ECM沿着中线指导PCD排列，以防止间充质细胞的对侧侵袭，从而形成两个同侧体的间隔。

总的来说，研究证明了细胞外基质介导程序性细胞死亡在原条中线排列，形成对侧侵袭的障碍，是原肠胚同侧性所必需的，揭示了程序性细胞死亡在发育中的新功能，进一步加深我们对于机体两侧对称的理解。

参考文献

1. S. Aw, M. Levin, Dev. Dyn. 237, 3453–3463 (2008).

2. J. P. Thiery, H. Acloque, R. Y. Huang, M. A. Nieto, Cell 139, 871–890 (2009).