背景
转录因子Pitx2有助于建立脊椎动物肠道组织左右两侧组织的不对称性。Sanketi等人利用对鸡胚和小鼠胚胎的研究表明，Pitx2在发育后期产生特征性的肠道形状方面发挥了另一个关键的调控作用。当右侧细胞扩张时，机械应力延伸至左侧，导致形态发生素TGF-β (转化生长因子β)释放。这一过程增强了Pitx2的表达和随后的左侧僵硬，这有助于控制发育中肠道的整体倾斜程度。
图. 肠道旋转需要由潜在TGFb机械传感器调控的第二波Pitx2表达
简介
2022年9月23日，来自美国康奈尔大学的Bhargav D. Sanketi及其团队在Science (IF: 41.845)杂志上发表名为Pitx2 patterns an accelerator-brake mechanical feedback through latent TGFβ to rotate the gut的研究[1]。
主要结果
脊椎动物内脏器官的进化上保守的左右 (LR)不对称需要一组协调的、明确定义的基因表达事件，以驱动细胞外基质 (ECM)生物力学和细胞行为的变化。例如，脊椎动物胚胎的中肠 (其产生大部分大肠和小肠) (图1A)经历了随后肠成环所必需的典型的逆时针旋转。无法启动中肠旋转会导致中肠扭转，即肠管和肠系膜血管的灾难性阻塞。在鸟类和小鼠中，中肠旋转的方向是由背侧肠系膜 (DM)内的不对称细胞行为驱动的，背侧肠系膜是将肠管悬挂在背体壁上的相邻结缔组织 (图1B，有色区域)，肠道血管和淋巴管也穿过该结缔组织。
DM在胚胎发生期间通过内脏中胚层 (源自外侧板中胚层)的左右扁平片的附着和融合形成。这在鸡中从第3天开始，对应于汉堡汉密尔顿第 17 阶段 (HH17)，或在小鼠中从胚胎第9.5天 (E9.5)开始。最初，左侧和右侧内脏中胚层的间充质细胞似乎是同质的，但随着DM的形成，其出现明显的LR不对称，左侧浓缩，右侧扩张 (图1B，下图)。DM的最终变形使附着的肠导管向左倾斜，为开始逆时针肠旋转提供了临界偏置 (图1B，HH21)。
图1. 当左侧Pitx2表达开始时，BMP4被限制在右侧
Pitx2对对称性Bmp4的抑制引发了DM的不对称性
肠道旋转首先由右侧DM中ECM的扩张引起 (图1B，底部面板，青色)。这种扩张和随后的肠道倾斜依赖于由酶Tsg6 (肿瘤坏死因子-α刺激基因6)修饰的透明质酸 (HA)基质，但这一过程的上游转录控制尚不清楚。我们既往在倾斜时 (HH21)在鸡DM中进行的转录组学研究显示，Bmp4富集在鸡DM的右侧。这增加了Tsg6表达和由此产生的ECM扩增可能受BMP (TGF FB超家族成员)调控的可能性。在鸡中进行的RNA原位杂交显示，在DM中，Bmp4表达最初是双侧的，但随着倾斜开始，左侧的表达减少 (图1D)。我们推断这种模式可能受Pitx2控制，因为左侧Bmp4表达的缺失与左侧DM中Pitx2表达的开始在空间和时间上重合 (图1C)。在鸡DM形成之前，通过右侧的Pitx2电穿孔证实了这一点，这导致右侧的Bmp4表达 (图2A)和HA积累 (图2、B和C)均减少。这种双左异构导致了肠道倾斜的缺失 (图2G，在HH21处测得的中线的净零倾斜角度)。通过恢复HA累积 (图2B和C)和正常肠道倾斜 (图2G)确定，右侧的联合穿孔Pitx2和Bmp4恢复了右侧程序。因此，Pitx2参与了Bmp4的转录抑制。
图2. BMP4通过Tsg6/HA通路驱动形态学DM不对称
Noggin限制了DM的不对称组织变形
DM内的间充质细胞和肠管内的间充质细胞来自左侧和右侧内脏中胚层中相邻的前体细胞群 (图3A)。使DM特异性变形的LR不对称细胞行为仅局限于DM细胞，从未向腹侧延伸至肠管中 (图3A)。例如，Smad6是Bmp4表达下游的一种典型调控性反馈基因，仅在右侧DM内和倾斜开始时被发现，但从未在肠管中发现，尽管肠道中有双侧Bmp4 mRNA的持续表达。我们推断，BMP信号必须在肠管中的蛋白水平上被主动抑制。与这一观点一致，我们最初发现Noggin的表达贯穿于早期左侧和右侧内脏中胚层 (HH15)，但在DM形成开始时，Noggin的表达逐渐局限于鸡和小鼠胚胎的肠管细胞。此外，将组成型激活的BmpR1 (Q233D，BmpR1-CA)右侧电穿孔进入肠道内脏中胚层，绕过了Noggin的活性，并在肠管中诱导了DM样HA蓄积。这些数据表明，肠管来源的Noggin限制了BMP信号驱动的ECM向右侧DM的扩张。
肠道旋转需要独立于中胚层Nodal的第二波Pitx2表达
我们检查了在DM形成前期和早期的Pitx2表达 (图3A)。在E8.0 (小鼠)和HH12 (鸡)的左侧内脏中胚层中检测到早期Pitx2表达 (图3B和D)，但在之后不久在该区域意外缺失 (E9.0小鼠，图3C；HH15鸡，图3B和D)。在小鼠 (E9.5，图3C)和鸡 (HH17，图3D)中，当DM开始形成时再次检测到Pitx2表达。接下来，我们分析了Hoxb1-Cre驱动基因产生的条件性Nodal小鼠突变体，该突变体可清除外侧板中胚层中的所有Nodal转录和随后的Pitx2表达，从而导致心脏和肺偏侧性缺陷。肠道既不倾斜 (图3E；n = 12/14) 和Pitx2在DM中的表达 (图3E；n = 6/7)受中胚层Nodal缺失的影响。因此，尽管Nodal驱动第一波不对称Pitx2以控制胚胎的偏侧性，但在肠道特异性不对称建立期间，Pitx2表达的后续器官水平调节 (第二波)可能受另外一条通路的调控。
图3. 肠道旋转需要独立于中胚层Nodal的第二波Pitx2
结论及展望
Pitx2既能建立LR不对称，又能将这种偏侧转化为内脏器官的形态发生。然而，Pitx2表达如何改变细胞行为以及这种改变如何在局部、器官特异性微环境中受到调控仍未解决。在DM中，这些事件的特征为右侧间充质细胞扩张，由BMP诱导的HA积聚驱动；这种扩张伴随着左侧的间充质压缩。这些不对称产生了大多数脊椎动物特有的逆时针肠道旋转。
我们观察到Noggin由肠管周围的内脏中胚层产生，Noggin+肠管原基与DM的Noggin细胞的逐渐远离可能影响DM特异性LR程序的及时激活 (图7A和B)。实际上，Noggin不仅能拮抗右侧DM内的BMP4信号，还能抑制左侧的TGFb-Pitx2活性。这揭示了Pitx2在控制DM的机械特性中的单独作用，其中由邻接组织 (右侧DM)产生的力通过机械激活潜伏的TGFb复合物 (图7C)而转化为转录应答 (Pitx2表达)，这是之前在癌症和纤维化中观察到的现象。我们的数据显示，DM LR轴上的材料属性 (包括组织刚度)决定了肠道旋转过程中的变形程度，这一过程由Pitx2模式化，并由TGFb和BMP4执行。
图7. Pitx2第二波表达在肠道旋转过程中具有双重作用
我们发现了一个机械敏感的TGFb反馈回路，驱动Pitx2控制的左侧转录程序，该程序可重复地旋转脊椎动物肠道。这些发现解决了一个长期存在的问题，即不对称器官如何解释胚胎体计划以执行局部偏侧性程序的计划。揭示器官形成的基本机制有助于诊断和预防出生缺陷，包括肠旋转不良和肠扭转，这可能会导致大面积的肠道组织死亡，这是新生儿的外科急症。虽然我们的研究集中在肠道，但也与其他不对称器官相关，在这些不对称器官中，偏侧性错误也会导致人类婴儿出现致命的出生缺陷。
原文链接
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abl3921
转自：“生物医学科研之家”微信公众号
如有侵权，请联系本站删除！
