1、第7期錢光輝等：Wnt信號通路與后口動物體軸的進化發育#DOI: 10.3724/SP.J.1005.2011.00684Wnt信號通路與后口動物體軸的進化發育錢光輝,王義權廈門大學生命科學學院，廈門361005摘要：動物體軸極性的建立和最初胚軸的形成涉及到一系列信號通路的調控，Wnt信號通路是其中一條十分保守的信號通路，并且Wnt/ &catenin信號通路中的關鍵成員早在海綿動物中就有發現，暗示這一信號通路相對于其他信號路徑來說可能是最早參與原始后生動物體軸發育的信號通路之一，并且在體軸后端和腹部的發育及命運分化方面發揮著重要作用。近年來 ，隨著體外功能實驗體系的建立，人們發現 W

2、nt信號通路中很多基因都不同程度地影響了早期胚軸的形成，例如wnt基因、母源性基因 性catenin以及一系列轉錄因子等。文章首先對參與后生動物體軸發育的wnt基因家族的起源與進化關系做一簡要分析，并進一步就經典的 Wnt/ p-catenin通路與后口動物的海膽、文昌魚、斑馬魚、爪蟾和小鼠等類群體軸極性的建立乃至整個體軸形成方面的研究進展做 一綜述。關鍵詞：動物體軸；Wnt信號通路；p-catenin ;進化；發育Wnt sig nali ng pathway and the Evo-Devo of deuterostome axisQIAN Gua ng-Hui, WANG Yi-Qua

3、nSchool of Life Sciences , Xiamen University , Xiamen 361005, ChinaAbstract:A series of signal transduction pathways have been found to regulate the polarity establishment and formationof animal primary body axis. Among them, Wnt signaling pathway is extremely conserved and several key components in

4、 the pathway have been identified in the demosponge lineage. This implies that it is one of the earliest pathways involved in the ancestral metazoan axis development and might play an important role in specification and development of posterior and ventral fate of animal axis. Recently, with the est

5、ablishment of functional experiments in vitro , the body plan formation has been found to be affected, in varying degrees, by many genes in the Wnt signaling pathway, such as members of wnt gene family, maternal gene pcatenin and some transcription factor encoding genes. In this review, we analyzed

6、the evolutionary origin of the wnt gene family involved in development of metazoan body plans, and then made a brief review on the roles of canonical Wnt/ pcatenin signaling in the polarity establishment and formation of primary body axis in diverse deu- terostomes including sea urchin, amphioxus, z

7、ebrafish, frog, and mouse.Keywords:animal body axis; Wnt signaling pathway; pcatenin ; evolution; development 1 *>94-2012 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights 第7期錢光輝等：Wnt信號通路與后口動物體軸的進化發育# 1 *>94-2012 China Academic Journal Electronic Publishing House. All

8、rights 第7期錢光輝等：Wnt信號通路與后口動物體軸的進化發育685收稿日期:2010- 12-25 ;修回日期:2011- 02-20基金項目：國家自然科學基金項目（編號：30830023, 31071110）資助作者簡介：錢光輝，博士研究生，專業方向：動物發育遺傳與分子進化。E-mail: qianguanghui通訊作者:王義權，博士，教授，博士生導師，研究方向：動物分子遺傳與進化。E-mail: wangyq網絡出版時間：2011-5-23 16:53:35URL: http:/www.c nki. net/kcms/detail/11.1913.R.20

9、110523.1653.004.html動物是如何建立并形成最初的體軸（Body planformation）是生命科學研究領域中一個重要的生物學基礎問題。對這個問題的回答有助于人們了解動 物（包括人類）是如何從一個受精卵沿著前后軸(Anterior-posterior, AP)、背腹軸(Dorsal-ventral, DV) 和左右軸(Left-right, LR)發育成一個完整的個體，同 時分化出各種組織和器官。由于每個物種的胚胎發 育是適應各自不同生活史或生境的一個復雜過程,所以有必要對各類動物體軸形成機制進行廣泛的比 較研究。迄今人們關于動物體軸形成機制的認識主 要來源于對線蟲、果蠅2

10、4、文昌魚5、斑馬魚6,7 以及爪蟾810和小鼠11等模式動物的研究，在其他 類群中還鮮有報道。另一方面，不同動物體軸形成 機制又有所不同，而在分子和細胞水平上廣泛比較 各類動物早期的胚胎發育，有助于揭示胚軸形成機 制中的共同點和不同點。近年來，人們發現各種信 號通路諸如 TGF- Wnt、Nodal、Retinoic acid、FGF、 EGF等傳導路徑廣泛參與各類動物體軸極性的建立 和胚軸的發育6, 1115,而Wnt信號通路及其與胚軸 形成機制的研究是其中的熱點之一。1 Wnt信號通路的發現最早對 Wnt通路的了解源自于對致癌病毒和果 蠅發育機制的研究。Nusse等16用小鼠乳頭瘤病毒

11、(Mouse mammary tumor virus, MMTV) 誘導鼠產生乳 腺癌后發現：MMTV常常固定整合于宿主染色體的 特定位置，激活該位點的基因，這一位點的基因因 此被命名為Int1 ,隨后發現這一基因與果蠅胚胎發 育基因wingless(wg)同源，而wg基因突變將導致成 年果蠅無翅，故將二者名稱簡并，并將該基因重新 命名為wnt1。此后人們一般將 wnt基因編碼產物所 介導的信號通路統稱為Wnt信號通路。現已發現 Wnt蛋白與細胞表面受體相互作用引 發一系列的胞內應答反應，并且此信號通路幾乎對 所有動物的胚胎發育都至關重要。目前人們一般把 Wnt通路至少劃分為3個分支(圖1)1

12、7,包括：(1)經 典Wnt通路，又稱 Wnt/ 3-catenin通路，此通路的主 要成員包括：細胞外因子(Wnt)、跨膜受體(Frizzled)、 胞質蛋白(3-catenin)以及核內轉錄因子(TCF)等一系 列蛋白。當細胞外因子 Wnt與Frizzled(Frz)等受體 結合后，通過一系列胞質蛋白的相互作用使 3-catenin蛋白在胞質內累積，并進入核內與核轉錄 因子TCF共同作用激活靶基因的轉錄；Wnt/JNK (Jun N-terminal Kinase)信號通路與果蠅中最初發現 的PCP(Planar cell polarity)通路有很大的重疊18,都涉及到Rho家族的小 G

13、蛋白(GTPase),包括Rac、 Cdc42、Rho以及下游蛋白激酶(JNK或Rho激酶) 的激活，此條通路中的Frizzled、Dishevelled及其它 蛋白通過不對稱分布和極化的蛋白定位共同建立細 胞極性，調控極性細胞的運動等；3)Wnt/Ca 2+信號通 路首先在斑馬魚和爪蟾中發現：19可能通過G蛋白 激活鈣/鈣調素依賴蛋白激酶II(Ca2+/calmodulin- depe nde nt protein kin ases II, CaMK II)和蛋白激酶C(Protein kinase C, PKC)導致細胞內 Ca2+釋放而影 響細胞黏連和基因表達。在這3條信號通路中，經典的

14、 Wnt/ 3catenin信 號路徑是參與體軸發育眾多信號系統中一條十分保 守的信號通路。目前已發現從兩胚層的海綿動物、 刺胞動物的水螅和海葵到三胚層的線蟲、果蠅直至 哺乳動物的體軸決定和發育均與這條信號通路有 關12, 15, 20, 21,其關鍵成員(Wnt、Fzd、SFRP、Axin、 APC、GSK3、3-catenin、Tcf等)在不同動物類群中 均具有一定的同源性，但它們的直系同源基因并未 在比海綿動物更早期的領鞭毛蟲(Choa noflagellate)和其它非后生動物的真核生物中發現，暗示此信號通路可能早在原始后生動物起源之前就存在了，很可能是最早參與體軸發育的信號路徑之一。

15、相比之 下，在兩側對稱動物中發現的另外兩條信號通路 Wnt/JNK(或PCP)和Wnt/Ca2+很可能是后來才形成 的，因為參與這兩條信號通路的關鍵直系同源基因 并沒有在海綿動物基因組中發現22,暗示這兩條信號通路很可能是真后生動物和海綿動物分化之后才 產生的，這也是與動物進化歷程中體軸發育的復雜 性和多樣性增加相一致的。2 wnt基因家族的主要成員及其進化關系wnt基因家族編碼產物為分泌型糖蛋白，氨基酸序列長度在350380左右，含有100多個保守的 氨基酸位點23。wnt1是wnt基因家族中第一個被發 現的，在隨后的研究中人們發現了更多的wnt成員,不同的wnt基因傾向于不同的信號路徑，在

16、胚胎發 育和成體組織中的作用也不盡相同24, 25。如圖2 所示,脊椎動物wnt基因家族成員最多， 例如斑馬魚(Danio rerio )、爪蟾(Xenopus tropicalis)、 紅原雞(Gallus gallus )和人類(Homo sapiens )基因組 中已發現的 wnt成員分別至少有 27、24、20和19 1 *>94-2012 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights # HEREDITAS（Beijing） 2011第33卷© 1 94-2012

17、China Academic Jaumal Electronic ?uKisbing House. A1 righh reserved, http:ki.iidt# HEREDITAS（Beijing） 2011第33卷ishcvellcdKrenriFeii QPQC jWtiLLi-CiileiiinSK3BROCKR-CntcniiiiB-C'aWninJNK2? B-CialeninB<.!alenmCnfaDCytosolDegradatiotiNlcIcilsDestruct ion compk?tCytoskcletiemr ”r. n m r i-r .n.

18、9;i»n # nL £dl J LU I 斗QI Did LNu-JUN覺£亦B-Csienin /SL9 SA05/H-Cjiiemn y. -O.1 '- 1 c1j*-CyclinDIxMvcr*-Gene expression八円 r=>（ien« expression© 1 94-2012 China Academic Jaumal Electronic ?uKisbing House. A1 righh reserved, http:ki.iidt# HEREDITAS（Beijing） 2011第33卷©

19、 1 94-2012 China Academic Jaumal Electronic ?uKisbing House. A1 righh reserved, http:ki.iidt# HEREDITAS（Beijing） 2011第33卷圖1經典的 Wnt/ p-catenin信號通路（左側）、非經典的 Wnt信號通路即 Wnt/Ca 2+（中間）和Wnt/JNK 通路（右側）17VertebrateDeoterostomesBiltUeriaLumetaztiaHs iGg iXt 1 >r iWW2 H-nt32 2Wni!6H-ntAOtheroooTotal1920LI 0-

20、Bf ! Sp I【0 Icr iI Ir" iProloslorTiesCe vDni iTc iAnn i（liiCiiidarians'IF1111Hm iNv aAq n圖2后生動物 wnt基因亞家族成員的分布情況Hs: Homo sapiens （人類）,Gg: Gallus gallus （紅原雞）,Xt: Xenopus tropicalis （爪蟾）,Dr:Danio rerio （斑馬魚）,Ci: Ciona intestinalis（海鞘）,Bf: Bran-© 1 94-2012 China Academic Jaumal Electronic

21、 ?uKisbing House. A1 righh reserved, http:ki.iidt687 HEREDITAS（Beijing） 2011第33卷chiostom floridae （文昌魚）,Sp: Strongylocentrotus purpuratus （海膽）,Lg: Lottia gigantean （青螺）,Ct: Capitella teleta （小頭蟲 ）,Hr: Helobdella ro- busta（水蛭）,Ce: Caenorhabditis elegans （線蟲）,Dm: Drosophila melanogaster （果蠅）,Tc: Tribo

22、lium castaneum （赤擬谷盜），Am : Apis mellifera （蜜 蜂）,Hm: Hydra magnipapillata （水螅）,Nv: Nematostella vectensis （海葵）,Aq: Amphimedon queenslandica （海綿）,“指無基因組全序列,“指 wnt9或稱為wnt4/9基因,“I指wnt10或稱為 wnt9/10基因。© 1 94-2012 China Academic Jaumal Electronic ?uKisbing House. A1 righh reserved, http:ki.iidt689 HER

23、EDITAS(Beijing) 2011第33卷0.2圖3基于后生動物的海葵、海膽、文昌魚、斑馬魚和人類等5個代表物種wnt基因氨基酸序列(wnta除外)構建的NJ樹Bootstrap值為重復1 000次的檢驗結果，氨基酸替代模型選擇泊松校正(Poisson correction),位點間的替代速率選用Gamma修正(y1.0),詳細物種信息和序列號見附表1。個26;在非脊椎后口動物中,紫海膽(Strongylocen-trotus purpuratus 卜 文昌魚(Branchiostom floridae )和 海鞘(Cio na in test in alis )基因組分別至少含有112

24、7、1128-31 和10個32。比較分析發現所有后口動物中除 海鞘和紫海膽以外均丟失了wnta基因，這種特異性基因丟失的現象僅在原索動物和棘皮動物中有過報 道，例如海鞘丟失 wnt1、wnt8和wnt16,文昌魚丟失 wnt2和wnt16,紫海膽丟失 wnt2和wnt11基因，也 就是說后口動物還保留了絕大多數wnt基因家族成員，并且這些成員可能是后口動物體軸形成所必須 的。在原口動物兩大類群中，冠輪動物(Lophotro-chozoan)的青螺(Lottia gigantean )、小頭蟲(Capitella teleta卜水蛭(Helobdella robusta )基因組中分別至少 含

25、有11、12、13個wnt成員33,而青螺和水蛭類均 丟失了 wnt8基因，這暗示了 wnt8亞家族成員在這兩 類動物中是近期各自丟失造成的。與冠輪動物相比，蛻皮動物(Ecdysozoans基因組中丟失的wnt成員較多, 例如線蟲(Caenorhabditis elegans)、果蠅(Drosophila melanogaster)、赤擬谷盜 (Tribolium castaneum )、蜜 蜂(Apis mellifera )分別僅有 534、7、9、5 個 wnt 基 因閃。在本文系統發生分析的12個亞家族成員中(圖3),其中僅有7個和3個亞家族成員能分別在果蠅和線蟲中找到其對應的成員；在

26、六足類昆蟲赤擬 谷盜中也未發現 wnt24和wnt16。原口動物除蜜蜂 外，其它類群如軟體動物、環節動物和螯肢動物的 蜘蛛(Achaearanea tepidariorum )36的基因組中均丟 失了 wnt3基因，說明原始的原口動物中存在wnt3,但在大多數類群后期演化歷程中又丟失了。在兩胚層刺胞動物 的海葵(Nematostella vectensis)和 水螅 (Hydra magnipapillata )基因組中分別至少含有1437, 38 和11個38wnt基因家族成員；而在海綿動物(Amp- himedon queenslandica中發現有 3 個成員(wntac)22。 由此可

27、見，高等哺乳動物wnt基因家族成員并非最 近分化出來的，因為在12個亞家族成員中分別至少 有11和9個在海葵和水螅基因組中就出現了(圖3)。實際上，由于在海綿動物中已發現wnt基因家族成員，所以關于wnt基因家族的起源可以追溯到海綿 動物和真后生動物的最近共同祖先，這就暗示了wnt基因在原始后生動物早期發育中就已獲得，很可能在6.5億年前即存在，比距今5.3億年前的 寒 武紀大爆發”至少要提前1億多年37, 39,說明wnt基 因在不同的動物類群中經歷了漫長的獨立演化歷 程。譬如wnt基因家族成員在從海綿動物到刺胞動 物長期的演化歷程中由于經歷了復制和變異的積累，序列特征已經發生了很大的變化,

28、使得海綿動物 3 個wnt基因不能歸屬于任一個亞家族成員21, 22,而一系列的wnt基因倍增事件可能早在兩側對稱動物 與刺胞動物最近共同祖先分化之前就發生了(圖2),并且其功能在不同物種中可能已經發生分化。例如 刺胞動物的海葵具有放射狀的發育體制，與脊椎動物或其它兩側對稱動物體軸的形成明顯不同，但是它們卻共享來自6億多年前的很多 wnt基因家族成 員(圖2,圖3)。目前，人們還并沒有在單細胞的真核 生物中發現wnt基因，但是在從單細胞祖先過渡到 多細胞動物多樣性胚軸的形成當中，wnt基因的出現很可能說明它們是體軸發育過程中最早扮演重要角 色的基因家族成員之一。此外，在注釋較好的基因組中，人們

29、還發現很 多wnt基因簇是緊密連鎖的26,例如果蠅的wnt1、 wnt6和wnt10緊密聯系在一起，均位于第2條染色 體27F位置上，并且轉錄方向也保持一致35;而在 人類基因組中，wnt1與wnt10b、wnt6與wnt10a分別 緊密連鎖，但它們各自位于12q13和2q35兩條不同的染色體上40。不 僅如此,wnt1 -wnt6-wnt10和 wnt9-wnt5-wnt7基因簇連鎖現象在其它兩側對稱動 物中也有報道33,故此類基因簇可能代表了一類原 始的基因簇，而它們是否與hox基因簇類似，共同受制于上下游基因的調控從而控制體軸發育還不得 而知。3 Wnt信號與后口動物體軸形成在經典的Wn

30、t/ 3-catenin信號通路中，分泌型Wnt蛋白結合Frz受體，導致由GSK-3 APC和 Axin蛋白組成的復合物對3-catenin的降解作用減弱，這樣使得3-catenin得以積累并促使其進入核內與Tcf/Lef蛋白一起調控目的基因的轉錄17。由于無水 氯化鋰(Lithium chloride)可以抑制 GSK-3 3的活性， 因此常用它來上調胞質內3-catenin的濃度，異位激活(Ectopically activate)那些缺少其它可用基因干擾 (Genetic perturbation)方法來研究 3-catenin 的過表達 對體軸發育的影響。其次，胞外分泌型因子包括Fri

31、zzled-related蛋白家族成員(sFRPs),它們均含有 Cys區域，但缺少跨膜區，因此能在細胞外結合 Wnt 配體，抑制 Wnt信號傳導17; Dickkopf-like 蛋白 (Dkk)是在組織者表達的分泌型蛋白，能抑制合子型 wnt基因以促進前端頭部結構的形成；Frzb和Cerberus 是分別在組織者和前端中內胚層(Mese ndoderm)表達的分泌型因子，可以直接結合 Wnt配體抑制下游的 信號傳導，從而間接促進了前背部(Dorsoanterior)的 發育并抑制后端軀干和尾部的發育6,12。可以說Wnt信號作為一個網絡通路，每個成員在生物體內都是 整體地發揮作用，但是由于

32、研究的局限性，目前關于 Wnt信號通路與后口動物體軸發育的研究主要集中在 部分wnt基因家族成員 側如wnt3、wnt8和wnt11)以及 它們的抑制因子和3catenin等少數成員中41,42。3.1 海膽棘皮動物體軸發育以海膽為最典型，由于海膽缺少可辨認的頭尾軸，使得我們很難確定此類動物 Wnt信號的方向性，所以關于海膽軸向的Wnt信號相關基因及其拮抗基因研究相對較少，但海膽在早期胚胎發育中具有明顯的動-植物極方向。有報道稱 紫海膽(Strongylocentrotus purpuratus )中的 wnt8 禾口 3-catenin在16細胞期靠近植物極的小分裂球© 1 *&g

33、t;4-2012 China Academic Journal Electronic Publijihing House. All rights reserved, http:/'/ki.iidt第7期錢光輝等：Wnt信號通路與后口動物體軸的進化發育693(Micromeres)表達，并且一直持續到60細胞期，揭示 植物極的wnt8調控中、內胚層原腸的形成和分化43。 外胚層是從海膽的動物極方向產生的，內胚層和中胚層從植物極方向產生的,若Wnt信號被抑制將阻 止中、內胚層的形成。此外，研究揭示3-catenin同 樣控制海膽動-植物極軸向的極性44,并在植物極發 揮作用眄，

34、而3-catenin的過表達將導致植物極化的 胚胎44-46。實際上，3-catenin蛋白在早期動、植物極 軸向極化方面的作用在其它很多動物中均有報道，例如在水螅和海葵中，3catenin蛋白主要定位在動 物極，而在大多數兩側對稱動物中則發生了顛倒，3catenin蛋白主要位于植物極12,47,48。3.2 文昌魚頭索動物文昌魚位于脊索動物門的基部49。目前已發現文昌魚至少含有11個wnt基因(圖2) 28 31,其中 8 個基因(wnt1、wnt36、wnt7b、wnt8 和 wnt11) 均在胚胎發育早期的體軸后端表達旳。此外，不同的wnt基因在不同時期表達的區域又略有差別，例如wnt3

35、和wnt11在原腸晚期體軸后端的中內胚層和 外胚層表達；而wnt8(文昌魚所有wnt基因中表達的 第一個合子型基因)在原腸開始形成的階段在整個 植物極板(Vegetal plate)表達，此后僅局限在外胚層/ 中內胚層的邊緣區域表達，到原腸胚中期，wnt8背 部表達量的減弱可能與此時背腹軸的形成有關呵。在對文昌魚組織者基因進化分析中也發現：wnt基因的拮抗物，諸如 dkk1/2/4、dkk3、sfrp2-like 和 sfrp4 在前端表達，而wnt基因本身在后端表達，形成前 低后高的 Wnt信號濃度梯度，最終確定胚胎發育的 兩個末端區域，即前后軸形成5,50。關于3-catenin基因在文昌

36、魚體軸形成方面的功 能，實驗證實在晚囊胚期以后用Li+處理文昌魚胚胎對文昌魚3-catenin過激活(Over activation),明顯引 起神經板(Neural plate)的丟失和體軸發育的后部化 (Posteriorizatio n),而在晚囊胚期以前用Li+處理胚胎并未引起體軸發育的明顯變化51。這些均說明在脊索動物早期的胚胎發育中，3catenin和wnt基因共 同作用，極化最初體軸的形成。3.3 斑馬魚經典的Wnt信號通路在斑馬魚后部(Posterior)和腹部(Ventral)命運的分化方面發揮重要作用。目前有關斑馬魚前后軸發育相關的wnt基因研究主要集中在wnt3和wnt8

37、上，已有報道稱 wnt8基因參與 到斑馬魚腹部和體軸后端發育52,53。在原腸形成過程 中，在腹部兩側邊緣檢測到 wnt8以及Wnt/ 3-catenin應 答元件的強烈表達活性。若敲除或morpholino抑制wnt8基因的ORF(Open reading frame)即導致后腹部 (Ventro-posterior)結構嚴重丟失，同時引起背部命運 的擴張53,若同時下調wnt3a和wnt8活性致使前背 部命運的劇烈擴張和體軸后部結構的缺失54。如果在headless突變體(缺少Tcf3功能)的斑馬魚中過表 達wnt會導致前端發育的缺陷，即缺少眼睛、前腦和 中腦陰，并且抑制wnt基因會引起頭

38、部的增大，導 致后端發育缺陷，不能維持尾牙的生長及后端中胚 層的形成54, 56,57。斑馬魚wnt11突變體在原腸形成 時不 能進行正常的形態發生運動(Morphogenetic movements),但是能形成正常的背腹軸58。已報道的研究均發現wnt基因主要在斑馬魚早期原腸胚、 尾牙期和體節期的后端表達，而wnt基因的抑制物 (sfrps、cerberus、wif等)從尾牙期開始在前端神經外 胚層表達6,53, 54。斑馬魚wnt拮抗物基因dkk1是母 源性3-catenin的早期靶基因，它在原腸形成期間的 背部邊緣(Dorsal margin)、卵黃合胞層(Yolk syncytial

39、 layer)表達，并在脊索前板(Prechordal plate)中拮抗 經典Wnt/ 3-catenin的腹部化和背部化命運59,60。與爪蟾類似，斑馬魚的3catenin也是最為熟知 的母源性背部決定因子，在中囊胚轉換(Mid-blastula transition)后不久，3-catenin還激活一系列合子型基 因的表達，并引發一系列信號傳遞，其中包括bozozok (又稱 aharma 禾口 ni euwkoid )、chord in、dkk1, squin t(sqt) 和FGF信號,這些合子型基因大部分都有抑制腹部 化因子的活性。其次，母源性的3catenin在斑馬魚背腹軸形成中

40、也發揮重要作用，它在斑馬魚胚胎背部邊緣(Dorsal margin)卵裂球(Blastomeres)的核 內積累61。 3catenin不對稱核定位(Nuclear local- izati on)是背腹軸形成早期的一個標志，盡管最初幾 次的卵裂中并未觀察到3-catenin蛋白不對稱分布，但有報道揭示背腹軸不對稱現象可能在兩細胞胚胎 時就產生了。與爪蟾的胚胎類似，3-catenin過表達也 會導致斑馬魚第二體軸的形成62。此外，3-catenin抑制物過表達會降低背部基因的表達，產生腹部化的胚胎63,這更明確了它在背部形成中的作用；同 時母源性ichabod和tokkaebi基因能破壞 ca

41、tenin 的核定位，同樣導致腹部化(Ventralized)的胚胎以及 前后軸結構的缺失等64,65。3.4爪蟾在爪蟾胚胎中，原腸運動是一個中胚層和內胚 層內陷、外胚層外包的過程，結果導致原腸胚初期呈三層水平排列的胚層內卷，并且由外到內依次為外、中、內胚層排列的管狀體腔，胚胎在此過程中顯示出前后軸向的結構差異。在對爪蟾神經外胚層 的研究得出：Wnt/ 3-catenin信號活性梯度可能作為 轉換生長原(Transforming morphogen)形成爪蟾的中 樞神經系統，而且 Wnt信號的增強能促進神經外胚 層細胞向后端分化12,其中wnt8是參與爪蟾中胚層 腹部兩側形成的一個主要的合子型

42、配體，抑制wnt8 基因表達會引起前背部結構的擴展，包括前端頭部 增大，而尾部和軀干部將會減小。此外，有報道稱爪蟾母源性基因wnt11不對稱分布會引起背部卵裂球 中(3-catenin的積累66,所以母源性基因 wnt11在爪 蟾胚層的特化(Germ layer specification)、背腹軸的形 成和會聚延伸(Convergenee & extension)方面發揮重 要作用10。如原腸晚期，wnt基因在體軸后端發揮作用， 但其抑制劑在前端產生，核 p-catenin和Tcf-reporter 共同作用導致 Wnt蛋白形成從后向前的濃度梯度，位于該梯度域內的細胞可能依據Wnt信

43、號的濃度梯度獲得前后軸身份的識別67,68。除了 wnt基因以外，母源性pcatenin在爪蟾施 佩曼組織者的形成中同樣發揮重要作用。受精以后，皮質旋轉(Cortical rotation)促進胚胎Nieuwkoop中心 的形成，并引起Wnt信號通路pcatenin蛋白定位到精 子入口處相反一側，也就是胚胎背側的細胞核內61,69， pcatenin在這個區域促進背部組織者的形成。因此，原腸期之前任何干擾pcatenin基因的實驗均會引起與組織者活性改變相關的缺陷，這種基因干擾的結果會對背腹軸形成產生影響，如早期對 pcatenin的 抑制作用最終會破壞背部組織的形成70。中囊胚轉換之后，也就

44、是在合子型基因開始表達的時候，經典信號通路中的pcatenin在前后軸模式形成中的作用更加顯著，所有破壞 pcatenin活性的實驗均會影 響爪蟾前后軸和背腹軸的發育。3.5 小鼠Wnt/ 3-catenin信號在小鼠最初胚軸的產生和模 式形成中發揮多種功能，前端內臟內胚層(Visceral endoderm)(交配后5.5天形成)預示著未來體軸發育 的前端；原條(Primitive streak)(交配后6.5天開始形 成)是原腸開始形成的位點并指示著未來體軸后端 的極性12' 71。wnt基因的抑制物dkk1基因主要在前 端表達72，而wnt3、pcatenin和TCF應答啟動子在

45、 胚胎后端表達73,74 °wnt3a缺失的小鼠胚胎表型為體 節和后端身體結構的減少或丟失75，同樣，wnt3和pcatenin敲除的小鼠不能形成原條73,76，即不能形 成胚胎發育的后端區域，而敲除wnt抑制物dkk1基 因則導致前端的缺失“。4展望總之，Wnt/ pcatenin信號通路是參與后口動物 體軸發育的關鍵信號路徑之一，在動物發育早期就 參與體軸最初的形成，緊接著在原腸期控制體軸后 腹部的生長。棘皮動物、頭索動物和脊椎動物代表 物種的比較研究結果均表明后口動物體軸發育后端 Wnt信號具有保守性，而動物胚胎發生過程中一旦 缺失Wnt信號，后腹部結構的發育就有嚴重缺陷，僅形

46、成頭部和軀干前部。體軸后端Wnt信號和前端Wnt信號的抑制基因共同作用形成的濃度梯度可能 是調節大多數后口動物前后軸形成的一個普遍現象 不過這一結論僅是基于對有限的幾種模式動物的研 究結果，還有待于其它更多類群的研究進一步驗 證。隨著基因組測序技術的飛速發展以及基因功能 研究體系的建立(諸如Morpholinos、RNAi等)和轉基 因技術的廣泛應用，今后人們將會對更多物種的體 軸發育進行深入、全面的研究。必須指出的是，動物體軸發育是受多條信號通路協同控制的復雜網絡 調控過程。實際上，作為各類信號調控網絡之一的 Wnt信號能夠依據不同的細胞內環境調控一系列基 因的活性，它一旦被激活，具體有多少

47、靶基因參與 兩側對稱動物體軸發育調控，以及這些基因在不同 類群中的作用是否具有時空保守性還不十分清楚，所以說進一步深入探討Wnt信號及其與其它信號通路在控制體軸發育方面的協同作用將是今后研究的 著重點。我們相信隨著對各類動物胚軸發育相關基因的功能研究，以及體軸發育數據的逐漸積累，通 過生物信息學方法構建體軸發育信號通路(TGF-伙Wnt、Nodal、Retinoic acid、FGF、EGF 等)的 GRN (Gene regulatory networks)有望進一步闡明動物體軸 形成的分子機制。附錄：附表1見文章電子版(www.C)b 參考文獻(References):1 Bowerman

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