外胚层细胞分化分子机制的研究进展

外胚层细胞分化分子机制的研究进展

江中俊

（四川大学生命科学学院 成都 610041）

摘 要：外胚层的分化，是大多数动物在生长、发育过程中的必经之路。由于其在神经产生等过程中起重要作用，近年来受到了广泛关注。目前对于外胚层细胞是如何分化形成的还没有完全探究清楚，但有部分特异表达在外胚层细胞的因子被证明在外胚层分化的过程中起重要作用，本文主要综述了ectodermin、coco、锌指结构细胞核因子XFDL156、POU结构家族蛋白Oct25等分子在外胚层分化过程中起到的作用，为进一步研究外胚层分化机制提供参考。

关键词：外胚层；早期胚胎发育；TGF-β/Nodal信号通路。

Research progress on the molecular mechanism of ectodermal cell differentiation

Zhongjun Jiang

(Sichuan University, Chengdu 610041)

Abstract: The differentiation of ectoderm is the only way for most animals in the process of growth and development. Due to its important role in neural generation and other processes, it has received extensive attention in recent years. At present, it has not been fully explored how ectoderm cells differentiate and form, but some factors that are specifically expressed in ectoderm cells have been proved to play an important role in the process of ectoderm differentiation. This article mainly reviews ectodermin, coco, and zinc finger structure nuclei. The roles of factors such as factor XFDL156 and POU structural family protein Oct25 in the process of ectoderm differentiation provide a reference for further research on the mechanism of ectoderm differentiation.

Keywords: Ectoderm; Early embryonic development; TGF-β/Nodal signaling pathway.

1 引 言

外胚层（ectoderm），是个体发育到原肠胚时期后胚胎发育成为的3个胚层中位于胚胎外层的细胞。胚胎进入原肠形成期后会进行一系列的细胞运动，细胞位置发生重排，分化成3个胚层，这三个胚层的细胞具有不同的发育潜能并能分化产生不同类型的细胞并建立各种组织和结构[1]。其中，外胚层细胞主要分化形成表皮和神经系统[2]。而第一步的原肠胚细胞分化成内胚层、中胚层、外胚层是个体发育成长的必经之路，本文将对外胚层细胞分化分子机制的研究进展进行介绍。

2 外胚层分化的分子机制

2.1 外胚层分化的影响因子

外胚层细胞是由胚胎动物极细胞分化而来，过去的研究表明，外胚层的分化在囊胚期开始进行[3-6]。目前对于外胚层细胞是如何分化形成的还没有完全探究清楚，但有部分特异表达在外胚层细胞的因子被证明在外胚层分化的过程中起重要作用。包括Ectodermin、Coco、锌指结构细胞核因子XFDL156和POU结构家族蛋白Oct25。下面对这几种因子进行详细介绍。

2.2 Ectodermin

在胚胎胚层的分化中，TGF-β/Nodal信号通路介导了中胚层的分化，是胚层分化过程中必经的信号通路[7]。而Smad4是介导TGF-β/Nodal信号通路的重要分子。Ectodermin基因表达的ECTO蛋白是Smad4的泛素连接酶，Ectodermin基因可以通过表达出ECTO蛋白降低Smad4分子的数量[8]，从而达到抑制TGF-β/Nodal信号通路进行，阻止TGF-β/Nodal的中胚层诱导活性侵入外胚层细胞。

当胚胎由囊胚期进入原肠形成期时，胚胎细胞细胞膜上的TGF-β酶联受体（RI、RII、RIII）接收到外来的TGF-β信号分子，激活细胞内的TGF-β/Nodal信号通路：当细胞外的TGF-β与RIII受体结合后，RIII会将TGF-β呈递给RII受体，也有部分细胞中的RII受体可以直接与TGF-β结合。 RII受体与TGF-β结合后会募集并磷酸化RI受体，激活RI受体的磷酸激酶活性。被活化的RI受体作用于R-Smad，将其MH2结构域上的丝氨酸磷酸化，磷酸化的R-Smad和Smad4、imp-β结合并进入细胞核，与Ran-GTP作用后可以与核内转录因子TFE3结合，激活特定靶基因转录，在原肠形成期细胞中促进胚胎细胞向中胚层细胞分化。而对于外胚层细胞来说，也不可避免的会接触到TGF-β信号分子，这时ECTO便会开始工作，在细胞核内与FAM/Usp9x一起作用，ECTO负责Smad4的泛素化，FAM/Usp9x负责去泛素化

[9]，使得细胞内的Smad4在一个合适的浓度。ECTO作用于Smad4后，R-Smad离开细胞核，Smad4在细胞质中被降解，阻止了TGF-β/Nodal的中胚层诱导活性侵入外胚层细胞。

ECTO的作用并不是促进胚胎细胞中的某些基因表达，而是在外胚层细胞接收到分化为中胚层细胞的信号时，阻断信号的传递，导致应该分化为外胚层的细胞和已经分化为外胚层的细胞不被TGF-β/Nodal的中胚层诱导活性诱导成为中胚层细胞。

2.3 Coco

BMP（bone morphogenic protein）是TGF-β超家族的成员，可以作为信号分子激活TGF-β/Nodal信号通路，也可以通过抑制β-catenin蛋白的作用来阻碍Wnt-β-catenin信号通路的进行，在胚胎发育等过程中起重要作用。而Coco是一种BMP拮抗剂[10]，可以通过减弱BMP激活TGF-β/Nodal信号通路的能力来抑制TGF-β/Nodal信号通路的进行，也可以通过减轻BMP受体对细胞内β-catenin的抑制作用增强Wnt信号。

TGF-β/Nodal信号通路在胚层分化过程起着重要作用，可以促使胚胎细胞分化成为中胚层细胞，Coco通过抑制TGF-β/Nodal信号通路的进行保证外胚层细胞正常分化。而Wnt-β-catenin信号通路与内胚层细胞的报道虽然很少，相关的机制也还未阐明，但在过去的种种实验中已经证明其与内胚层的分化有关[11]，Coco促进Wnt-β-catenin信号通路的作用也可能对外胚层细胞的分化有着重要意义。

2.4 锌指结构细胞核因子XFDL156

胚胎发育到囊胚晚期时，我们可以第一次在胚胎中发现到锌指结构细胞核因子XFDL156（下面简称为XFDL），在动物极区域广泛存在。到原肠胚早期时XFDL便在应分化为外胚层的区域广泛表达，原肠胚后期便仅表达于神经外胚层的部分区域。由此可以推断XFDL与外胚层的分化有密不可分的关系。

Noriaki Sasai等的研究表明[12]，XFDL通过与p53的C端调控区相互作用，抑制p53靶基因的诱导和中胚层的分化。而p53是在各个细胞中都广泛表达，负责调控各个细胞中多个基因的表达。p53可以在与靶位点DNA结合后与Smad2、Smad3结合，参与到TGF-β/Nodal信号通路的调节[13]。

在胚胎细胞中，TGF-β/Nodal信号通路激活后，Smad2、Smad3被激活并与Fast-1结合，形成Smad2-Smad3-FAST-1复合体[14]，此时若所要结合的DNA位点上有p53存在，则可以与p53结合，形成复合物调节下游基因的表达。

Mix.2是一个中胚层分化的重要基因，在外胚层所在区域，XFDL大量表达，与p53的C端结构域结合，抑制p53蛋白与目标序列（Mix.2的启动子序列）结合。由于p53只有与目标的DNA序列结合后才能与Smad2-Smad3-Fast-1复合体结合，外胚层细胞中的Smad2-Smad3-Fast-1复合体无法与Mix.2的启动子结合，无法促进Mix.2表达，最终保证了外胚层细胞不会分化为中胚层细胞。

2.5 POU结构家族蛋白Oct25

Oct25是Oct4的同源物，而Oct4是POU家族的转录因子，在维持胚胎干细胞的多能性和自我更新方面的关键功能以及在体细胞重新编程中起重要作用[15-16]。Oct4蛋白对基因表达的调节作用主要是通过组蛋白介导的，而Ying Cao等[17]的研究表明，Oct25并不是主要依靠组蛋白发挥作用，而是通过控制TGF-β/Nodal途径来保证胚胎细胞外胚层细胞不分化为中胚层。

Nodal和activin都是TGF-β家族的重要成员，可以激活TGF-β/nodal信号通路[18]。TGF-β/nodal信号通路中各组分相互作用，通过激活下游组分，最终使活化的Smad2与Fast1或WBSCR11形成复合物，与特定促进中胚层形成的靶基因：GSC、Mix.2的启动子结合，促进靶基因的转录。而细胞中的Oct25可以与Smad2-Fast1复合物或Smad2-XWBSCR11复合物结合，使原本的靶基因转录激活复合物转变成靶基因转录抑制复合物。Oct25虽然与GSC启动子有着较强的结合能力，但如果仅仅是Oct25与启动子结合，而没有Fast1或WBSCR11与其形成复合物，则无法发挥抑制转录的功能。当Oct25单独与Fast1或WBSCR11结合时都能抑制靶基因的转录，但如果同时加入Fast1和WBSCR11时，可以检测到更高水平的抑制。Oct25与Fast1形成的复合物与靶基因启动子结合的位点和Oct25与WBSCR11形成的复合物与靶基因启动子结合的位点不同，这可能是导致同时加入Fast1和WBSCR11可以形成更高程度抑制的原因。

Oct25与TGF-β/Nodal信号通路的主要核成分Smad2、Fast1或XWBSCR11形成复合物，这些复合物通过Fast1结合位点或XWBSCR11结合位点指向GSC或Mix2的启动子，抑制GSC、Mix.2基因的表达，最终抑制外胚层细胞向中胚层分化。

2.6 小结

    在胚胎从囊胚期进入到原肠胚时期时，在植物极VegT与通过Wnt-β-catenin信号通路从胞质蛋白复合物释放出的β-catenin蛋白结合，作用于nodal/activin基因，促进nodal/activin基因表达，导致在胚胎中形成植物极到动物极的nodal/activin浓度梯度。而nodal/activin是TGF-β家族的重要成员，可以激活TGF-β/Nodal信号通路，促进中胚层的形成，这也初步保证了中胚层和外胚层细胞的分化基础。而在胚层真正开始分化时也有着众多机制来保证各个胚层细胞的正确分化，如使Smad4被降解，防止外胚层细胞分化成中胚层的Ectodermin、通过抑制BMP来减弱TGF-β/Nodal信号的Coco等等。保证胚层正确分化的分子和基因有很多很多，正是这些基因的共同作用，导致外胚层和中胚层可以正确分化，保证的胚胎的正常发育。

3结语

外胚层的分化是多种分子共同作用保证的，但最终作用都是阻断细胞分化成中胚层细胞。各种促进外胚层形成的分子，大多是与TGF-β/nodal信号通路中的重要分子作用，减弱或阻断TGF-β/nodal信号，防止外胚层细胞分化成为中胚层细胞。而直接使胚胎细胞分化为外胚层细胞的分子却几乎没有，所以相对于中胚层细胞的分化，外胚层的形成更多是一种自主发生的过程，保证外胚层细胞分化的分子也仅仅是将会使外胚层细胞偏离原本分化过程的因素阻断。目前对于外胚层的研究还并不是十分深入，有许多机制还未探明，还需要进一步研究。

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作者简介:江中俊,学士,主要从事生物、发育生物学相关研究,E-mail: txwdjzj123@163.com