生命學(xué)院José C. Pastor-Pareja課題組解開了數(shù)十年之久的昆蟲翅膀如何變平之謎
“萬物生長靠太陽，果蠅飛翔靠翅膀”。振翅飛行是昆蟲進(jìn)化上的核心策略，賦予了其在進(jìn)化上的巨大優(yōu)勢，這使得昆蟲成為這個星球上一半以上的已知物種。昆蟲的翅膀是在變態(tài)發(fā)育過程中由背側(cè)和腹側(cè)兩層細(xì)胞通過貼合而形成的扁平附屬物。1940 年代，在歷史上開創(chuàng)了發(fā)育遺傳學(xué)和表觀遺傳學(xué)領(lǐng)域的工作中，Conrad H. Waddington 描述了黑腹果蠅的翅膀發(fā)育是一個貼合-分離-再貼合的過程，并且在背腹兩層細(xì)胞間存在長長的突起【1, 2】。后經(jīng)過很多遺傳篩選實(shí)驗(yàn)，我們認(rèn)識到翅膀的貼合涉及到細(xì)胞外基質(zhì)的粘附、基質(zhì)的產(chǎn)生和降解以及基質(zhì)-細(xì)胞骨架間的協(xié)作【3】。然而，整個翅膀貼合過程的邏輯和時間線，細(xì)胞突起的作用和胞外基質(zhì)的成分仍然有待進(jìn)一步研究【4】。近日，清華大學(xué)生命學(xué)院José C. Pastor-Pareja課題組在《Cell Reports》雜志上發(fā)表長文，該研究工作闡釋了這些數(shù)十年之久的問題，并為研究昆蟲翅膀的進(jìn)化提供了新的角度【5】。
圖1. (A) 野生型果蠅翅膀呈扁平狀 (B) 不同發(fā)育時期下，果蠅翅膀貼合-分開-再貼合的示意圖
José C. Pastor-Pareja課題組采用了一種體內(nèi)成像的新方法，該方法可以在不干擾果蠅正常發(fā)育的情況下對翅膀的形態(tài)建成實(shí)現(xiàn)長時程成像。借助成像技術(shù)，研究人員發(fā)現(xiàn)翅膀背腹兩層細(xì)胞的首次貼合是由于兩層細(xì)胞間的基底膜組分發(fā)生降解。在結(jié)蛹后8個小時左右（8 h APF），胞外基底膜組分基本被降解，而此時維持翅膀貼合的是層粘連蛋白（Laminin）斑點(diǎn)，與傳統(tǒng)的片層結(jié)構(gòu)基底膜不同，這是一種不含膠原蛋白IV和其他組分的非典型細(xì)胞外基質(zhì)。
圖2. (A) 層粘粘蛋白和膠原蛋白IV在翅膀發(fā)育過程中的表達(dá)情況 (B) 敲低層粘粘蛋白造成翅膀貼合缺陷 （鼓泡的翅膀）
此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)果蠅的變態(tài)發(fā)育使翅膀兩層細(xì)胞因內(nèi)部壓力而被分開，在非典型層粘粘蛋白斑點(diǎn)處形成長電纜般的突起連接結(jié)構(gòu)，這些突起連接由細(xì)胞骨架組分微管微絲共同構(gòu)成。細(xì)胞骨架突起在對抗變態(tài)發(fā)育過程中產(chǎn)生的內(nèi)部高壓這一關(guān)鍵時期，起到了維持背腹兩層細(xì)胞接觸連接的作用。翅膀發(fā)育全過程的體內(nèi)成像記錄了當(dāng)內(nèi)部壓力降低時，電纜般的突起結(jié)構(gòu)會解聚和收縮，這使得背腹兩層細(xì)胞完成第二次也是最終的貼合。
圖3. (A) 細(xì)胞骨架突起的形成（結(jié)蛹后8-9小時, 8h to 9h APF） (B) 翅膀背腹兩層細(xì)胞的再貼合過程（頭部外翻后 2.5 小時至 10 小時，2.5 h to 10 h AHE；結(jié)蛹后14.5 小時至 22 小時，14.5 h to 22 h APF）
為了進(jìn)一步研究電纜般的細(xì)胞骨架突起是如何組裝和解聚的，Pastor-Pareja課題組在果蠅翅膀中開展了針對細(xì)胞骨架相關(guān)蛋白的遺傳篩選實(shí)驗(yàn)。研究人員發(fā)現(xiàn)Shot、Patronin、septins和在翅膀特異表達(dá)的新蛋白Sdb（SAXO downstream of blistered）對于形成能夠有效抗壓的細(xì)胞骨架突起連接是必需的。研究人員采用最新的果蠅遺傳和轉(zhuǎn)基因技術(shù)還發(fā)現(xiàn)了Sdb是受到翅脈間轉(zhuǎn)錄因子SRF（Serum Response Factor）調(diào)控的微管穩(wěn)定蛋白。此外，研究者們還在鱗翅目（蝴蝶和飛蛾）的翅膀中觀察到了背腹層間相似的細(xì)胞骨架突起以及Sdb和SRF同源物在翅脈間區(qū)域特異性的表達(dá)分布。以上研究結(jié)果表明，能夠產(chǎn)生抗壓的電纜般細(xì)胞骨架是有翅昆蟲在進(jìn)化上的關(guān)鍵一步。
圖4. (A) 微管穩(wěn)定蛋白Sdb的缺失造成翅膀貼合缺陷和細(xì)胞骨架異常（Sdb, SAXO downstream of blistered） (B) 在果蠅、鱗翅目家蠶和枯葉蛺蝶幼蟲翅膀中Sdb的表達(dá)分布（mRNA 原位雜交）(C) 鱗翅目翅膀中的細(xì)胞骨架突起連接 (D) 翅膀貼合過程中細(xì)胞骨架及各組分的作用
此項(xiàng)研究工作首次對細(xì)胞和胞外基質(zhì)在翅膀貼合過程中的動態(tài)變化進(jìn)行了統(tǒng)一的闡述，發(fā)現(xiàn)了非典型層粘粘蛋白在翅膀形態(tài)發(fā)生過程中的必要作用，并揭示了非典型層粘連蛋白和基質(zhì)-細(xì)胞骨架的協(xié)作在翅膀貼合過程中的重要進(jìn)化意義。該工作2021年9月7日在《Cell Reports》上，發(fā)表了題為：非典型層黏連蛋白斑點(diǎn)與拉動產(chǎn)生的微管-微絲束介導(dǎo)果蠅翅膀貼合（Atypical laminin spots and pull-generated microtubule-actin projections mediate Drosophila wing adhesion）的研究論文。清華大學(xué)生命學(xué)院José C. Pastor-Pareja研究員為本文的通訊作者，已畢業(yè)博士生孫天慧為該論文第一作者，課題組其他成員宋彧炤、陳亞男、戴建莉和馬夢綺同學(xué)參與了部分研究工作。同時，該課題組與北京大學(xué)張蔚老師及其博士生滕德群合作完成了家蠶和枯葉蛺蝶的相關(guān)工作。本項(xiàng)研究得到了清華大學(xué)果蠅中心和生物醫(yī)學(xué)測試中心的支持，受到了清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心和國家自然科學(xué)基金委的資助。
論文鏈接：https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(21)01111-6
延伸閱讀：
[1] The genetic control of wing development in Drosophila.
Waddington CH.
J Genet (1940) 41: 75-113.
[2] The pupal contraction as an epigenetic crisis in Drosophila.
Waddington CH.
Proc Zool Soc Lond (1942) A111: 181-188.
[3] A screen to identify Drosophila genes required for integrin-mediated adhesion.
Walsh EP, Brown NH.
Genetics (1998) 150: 791-805.
[4] Atypical basement membranes and basement membrane diversity – what is normal anyway?
Pastor-Pareja JC.
J Cell Sci (2020) 133: jcs241794.
https://doi.org/10.1242/jcs.241794
[5] Atypical laminin spots and pull-generated microtubule-actin projections mediate Drosophila wing adhesion.
Sun T, Song Y, Teng D, Chen Y, Dai J, Ma M, Zhang W, Pastor-Pareja JC.
Cell Rep (2021) 36: 109667.
https://doi.org/10.1016/j.celrep.2021.109667
José C. Pastor-Pareja實(shí)驗(yàn)室:
http://joselab.life.tsinghua.edu.cn
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