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泪腺发育的关键性调节因子

BioArt按:6月24日,BioArt推出“国科大论坛”专栏,旨在鼓励中国科学院大学(UCAS)生命学院的优秀本科生接触学术最前沿,激发他们对生命科学某些领域深层次的理解,同时也锻炼他们对科学报道的写作能力。今日BioArt推出第十三篇系列文章,这篇文章解读的是近日来自UCSF的科学家发表在Developmental Biology杂志上的研究论文,揭示了miR - 205在早期的泪腺发育阶段中的作用。

撰文丨李永明(中国科学院大学2014级本科生)

摘要:泪膜保护了陆生动物的眼睛表面,泪腺为泪膜的维持提供必要的水性分泌物。尽管泪腺对维持眼睛健康极其重要,但人们对其发育层面的分子机制仍然知之甚少。来自加利福尼亚大学D’Juan T. Farmer等人在7月1日的Development Biology杂志上发表一篇文章,题为miR-205 is a critical regulator of lacrimal gland development,探究了一种非编码RNA(miR - 205)在泪腺发育中的作用。研究表明miR - 205在早期的泪腺发育阶段起着至关重要的作用,缺乏miR - 205的小鼠未能正常地发育出泪腺,其中,超过半数的泪腺没有形成。RNA - seq分析表明敲除miR - 205的小鼠外胚层表面有多个靶基因表达上调。研究人根据实验结果提出了调控模型,模型中miR - 205调节与Fgf10有关的信号通道,从而影响泪腺发育。

背景介绍

泪腺为泪膜提供水层,保护眼睛不干燥。当泪腺机能失调时,干眼症就会出现,这是困扰数百万人的一种疾病【1】。尽管这种情况普遍存在,但是许多控制泪腺发育的基本机制和途径仍不得而知。小鼠泪腺发育始于胚胎期(E)第13.5天,初芽从外胚层表面内陷,向眶周间质生长,初芽进入间质后,产生大量分支,形成内外泪腺【2,3】。有几种蛋白编码基因与泪腺的早期发育过程有关,包括纤维母细胞生长因子(FGF)信号通道的成员,其中FGF10由眼周间质分泌,在外胚层表面与受体FGFR2IIIb结合,诱导泪腺萌发。

microRNAs可调控分支化形态发生,在器官发育中起重要作用。然而,大部分对microRNA进行的研究是在体外进行的,只提供了一个关于microRNA如何控制分支形态发生的概况。为了全面了解microRNA对分支形态形成的贡献,体内实验十分必要。此外,microRNA与形态发生梯度是否结合、如何结合并去调控发育过程仍是悬而未决的问题。在本文中,作者揭示了miR - 205在胚胎期泪腺发育的重要作用。结果表明,miR - 205可以抑制多个靶基因,进而可能干扰一些信号通道,如Fgf10,来确保泪腺正常发育。

实验结果

为了探究miR - 205在眼部发育中的作用,研究人员将敲除了miR - 205的小鼠作为实验组,野生型和杂合子小鼠作为对照组,对比两组小鼠发育情况。组织学上的分析表明,mirR-205在角膜上皮或睑腺发育中似乎作用不大,详细的区别有必要通过进一步分析得到。为了评估泪腺的功能,研究人员分析了两组小鼠的眼泪数据。经过皮卡鲁品刺激后,实验组小鼠酚红棉线浸湿尺寸(1mm)明显少于实验组小鼠(6mm),实验组泪腺功能紊乱。进一步分析发现,miR - 205-/-组大部分小鼠眼部未发现泪腺,少部分小鼠有泪腺,但是比对照组小,如下图

图1 实验组和对照组小鼠泪液分析盒图与泪腺发育情况

泪腺在胚胎时期的发育可分为三个阶段:泪腺的萌发、初芽的伸长、持续周期性支化。研究人员分析了不同发育时期小鼠外胚层表面(可产生泪腺)的miR - 205表达量,发现在泪腺萌发后直至外胚层发育的各个时期,泪腺的上皮组织中一直存在着miR - 205。但在小鼠出生后,miR - 205的表达量减少,并且只分布在导管和腺泡细胞附近。以上结果表明,miR - 205应在泪腺的早期发育过程起着重要的作用。对于敲除miR - 205后那些较小的泪腺,其仍能进行后续的支化发育,并且在出生时形成高度复杂的腺体。用增殖细胞核抗原Ki-67标记增值细胞,进行荧光免疫检验后发现,miR - 205-/-组小鼠的泪腺在E15.5和P0时期都保持着分化能力,分化速度与正常泪腺相比也没有大的差异。其他一些实验也证明了同样的结果。

图2 miR - 205-/-组小鼠和对照组泪腺分化能力的比较

以往研究表明,Fgf10信号通道可以控制泪腺的萌发【2-7】。研究人员推测在E12.5时期miR - 205可以干扰Fgf10信号通道,通过对miR - 205-/-组小鼠和野生型小鼠该时期的外胚层表面进行RNA序列分析,发现miR - 205-/-组有95个基因表达量显著上调,其中有19个可能是miR - 205的靶基因,后续3’-UTP实验验证了这一点。进一步分析表明miR - 205可能是同时调控多个靶基因来控制泪腺的萌发和发育。结合前人实验结果,研究人员最终建立了如下图3的调节模型。在野生型小鼠胚胎期,miR - 205抑制多个靶基因的表达,使这些靶基因不干扰Fgf1-信号通道,从而确保泪腺的正常萌发和发育。

图3 miR - 205调节Fgf10信号通道

总结评价

以往作者实验室主要研究了miR - 205在小鼠出生后的调节作用,这本文中,作者研究了miR - 205在胚胎时期对泪腺发育的调控作用,这也是在泪腺发育中发现的第一个有重要作用的非编码基因。

泪腺萌发的阶段应是非常敏感的发育时期,容易受到分子噪声干扰。缺少miR - 205后,许多miR - 205的靶基因被解除抑制,进而干扰到Fgf10信号通道,影响泪腺的发育,导致大部分小鼠泪腺不能萌发,即使萌发后也比正常小鼠泪腺要小。至于调控过程具体的分子机制,以及是否存在其他可能存在的调节通道,现在还不得而知。

参考文献

1. Gayton, J, L., 2009. Etiology, prevalence and treatment of dry eye disease.Clin. Ophchalmol.3, 405-412.

2. Govindarajan, V., Ito,M., Makarenkova, H.P., Lang, R.A., Overbeek, P.A.,2000. Endogenous and ectopic gland induction by FGF-10.Dev. Biol.225, 188-200.

3. Makarenkova, H.P., Ito, M., Govindarajan, V., Faber, S.C., Sun, L.,McMahon, G., Overbeek,P.A., Lang, R.A., 2000. FGF10 is an inducer andPax6 a competence factor for lacrimal gland development.Development127, 2563-2572.

4. Ashery-Padan, R., Marquardt, T., Zhou, X., Gruss, P., 2000. Pax6 activity inthe lens primordium is required for lens formation and for correct placementof a single retina in the eye.Genes Dev.14, 2701-2711.

5. Pan, Y., Carbe, C., Powers, A., Zhang, E.E., Esko, J.D., Grobe, K., Feng,G.-S., Zhang, X., 2008. Bud specific N-sulfation of heparan sulfateregulates Shp2-dependent FGF signaling during lacrimal gland induction.Develipment135, 301-310.

6. Pan, Y., Carbe, C., Powers, A., Zhang, X., 2010. Sprouty2-modulated Krassignaling rescues Shp2 deficiency during lens and lacrimal glanddevelopment.Development137, 1085-1093.

7. Xu, X., Deleu, S., De Smedt, F., Drayer, L., Erneux, C., 1997. Identificationof a second SH2-domain-containing protein closely related to thephosphatidylinositol polyphosphate 5-phosphatase SHIP.Biochem.Biophys. Res. Commum.239, 697-700.

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