2024年04月04日14:45:21 科學 1914

引言

在現代生物醫學研究中，基因工程的技術不斷進步，為我們解開生命科學的諸多奧秘提供了強大的工具。最近，一個引人注目的實驗成果在Nature Communications上發表（「Tgfbr1 controls developmental plasticity between the hindlimb and external genitalia by remodeling their regulatory landscape」），研究人員成功地創造了一種六腿小鼠胚胎，這一發現不僅令人驚訝，也為我們進一步理解生物體發育過程中基因路徑(gene pathway)的作用提供了寶貴的信息。這項研究由來自葡萄牙奧埃拉斯的古爾本基安科學研究所(Gulbenkian Science Institute)的發育生物學家莫伊塞斯·馬洛(Moisés Mallo)及其團隊領導，他們通過在發育中期關閉特定的基因Tgfbr1，觀察到了小鼠胚胎脊髓發育的變化。

不同於常規的四肢小鼠胚胎，這個經過基因修改的胚胎擁有兩個額外的後肢，而且這兩個額外的肢體並非長在通常的位置，而是位於性器官應出現的地方。這一異常現象引發了研究人員的極大興趣，進一步的研究發現，Tgfbr1基因通過改變胚胎原始結構中DNA的可及性來指導這些結構發育成外部生殖器(如陰莖或陰蒂)或是四肢。這一發現揭示了DNA可及性在生物體發育中的重要作用，為我們提供了一個全新的視角來理解複雜的生命過程。

此外，研究團隊還希望進一步探索Tgfbr1及其相關蛋白如何在其他系統中影響DNA開放狀態，比如在轉移性癌症和免疫功能中的作用。他們還在研究這一機制是否同樣適用於爬行動物的雙頭陰莖(一種在沒有後肢的蛇類中形成的雙重陰莖)的發育。

這一研究不僅展示了基因工程在解決複雜生物學問題上的潛力，也為未來的醫學研究，如癌症治療和再生醫學等領域，提供了新的思路。通過進一步的研究，我們有望解鎖更多生命科學的秘密，為治療各種疾病提供更有效的方法。（3月28日 Nature「Scientists made a six-legged mouse embryo — here』s why」）

在胚胎髮育過程中，後肢和外生殖器被認為是從一個共同的原基(primordium)演化而來，這個原基能夠生成適應特定生態位(ecological niche)中高效運動和交配的多樣化結構。研究顯示，儘管從祖先條件演化而來的距離很長，但小鼠外生殖器的早期原基仍保留了採取後肢命運的能力。在沒有Tgfbr1的情況下，圍肛中胚層(pericloacal mesoderm)會產生額外的一對後肢，而不是外生殖器。

Tgfbr1基因與胚胎髮育

Tgfbr1基因是轉化生長因子β (Transforming Growth Factor Beta, TGF-β) 受體家族的一員，它在胚胎髮育中扮演著至關重要的角色。Tgfbr1通過調控細胞的增殖、分化、遷移和凋亡，影響了包括神經系統、心血管系統、肌肉骨骼系統在內的多個器官和組織的形成。

在胚胎髮育的過程中，Tgfbr1特別重要的一個功能是參與體節(segmentation)的形成和後體軸的延伸。研究表明，Tgfbr1通過調控神經中胚層(neuromesodermal)前體細胞的命運，影響脊柱和肢體的發育。此外，Tgfbr1還參與調控胚胎髮育中的細胞命運轉換(cell fate transition)，如由軀幹(trunk)向尾部(tail)的轉變，這一過程涉及到複雜的基因調控網路。

特別地，Tgfbr1在調控後肢(hindlimb)和外生殖器(external genitalia)之間的發育塑性上發揮著重要作用。在小鼠胚胎髮育的研究中發現，Tgfbr1缺失會導致周圍肛門(pericloacal)中胚層產生額外的後肢而非外生殖器。這一現象揭示了Tgfbr1在通過重塑調控區域(regulatory landscape)來控制基因調控網路，從而決定細胞命運和組織發育方向的機制。

此外，Tgfbr1還與其他生理和病理過程有關，包括心臟發育(heart development)、腫瘤形成(tumorigenesis)和組織纖維化(tissue fibrosis)。了解Tgfbr1在胚胎髮育中的作用不僅有助於揭示生命早期發育的基本原理，也為相關疾病的治療提供了可能的靶點。

Highlights

該研究揭示了Tgfbr1在胚胎髮育中的一個新角色，特別是在控制後肢與外生殖器(regulatory landscape of hindlimb and external genitalia)之間的發育可塑性方面。

後肢與外生殖器發育的可塑性：這項研究首次發現，Tgfbr1通過調節染色質的可及性(chromatin accessibility)，在小鼠胚胎的後肢和外生殖器之間建立了一個發育上的可塑性，這一發現為理解這些結構如何在進化過程中分化提供了新的視角。

Tgfbr1的調控機制：通過ATAC-Seq技術，研究者揭示了Tgfbr1如何影響特定基因的表達，通過改變調控元件(regulatory elements)的可及性來控制細胞命運的決定。這一機制的發現為理解Tgfbr1如何在更廣泛的生物學過程中發揮作用提供了新的線索。

複雜的調控網路：研究展示了一個複雜的基因調控網路，其中Tgfbr1位於核心，通過影響包括Fgf8、Shh等在內的多個關鍵發育信號通路的成員，從而控制胚胎髮育的關鍵過程。這強調了在發育生物學中解析這種複雜網路的重要性。

這項研究有效地結合了多種高通量技術，如原位雜交(in situ hybridization)、活性染色(β-galactosidase staining)和ATAC-Seq等，展示了現代發育生物學研究中多技術綜合應用的力量，為未來的研究提供了重要的方法學參考。

潛在的臨床意義：雖然這項研究主要關注基礎科學問題，但對Tgfbr1在調控胚胎髮育中的作用的深入理解可能對解決一些人類發育異常病症，如尿生殖系統畸形(urogenital malformations)提供新的治療靶點。

典型的小鼠胚胎有四肢，而在這項研究中，生成了一種異常的小鼠胚胎，這種胚胎具有六肢而不是常規的四肢，並且其幾個內臟器官從腹部突出。（Credit: Anastasiia Lozovska et al/Nat. Comms）

Strategies

通過分析Tgfbr1對小鼠胚胎後肢和外生殖器發育的影響，探討了Tgfbr1如何通過重塑它們的調控網路控制發育的可塑性。首先，研究人員利用條件性Tgfbr1敲除模型(Tgfbr1-cKO)來研究Tgfbr1缺失對胚胎後肢和外生殖器發育的影響。通過對這些敲除胚胎的表型進行詳細的描述和分析，發現Tgfbr1的缺失導致了外生殖器區域產生額外的後肢結構。

為了更深入地理解這種現象背後的分子機制，研究人員採用了一系列分子和遺傳學的技術。首先，通過原位雜交(whole mount in situ hybridization)技術檢測了一系列關鍵發育基因在Tgfbr1-cKO胚胎中的表達情況，從而確定了Tgfbr1對這些基因表達調控的影響。接著，使用活性染色法(β-galactosidase staining)來追蹤報告基因的表達，進一步驗證了這些調控關係。

通過高通量染色質可及性測定(ATAC-Seq)技術，以揭示Tgfbr1缺失如何影響後肢和外生殖器發育區域染色質的開放性和調控元件的可及性。通過對ATAC-Seq數據的深入分析，研究人員能夠確定那些由於Tgfbr1活動而變得開放或抑制的調控元件，揭示了Tgfbr1是如何通過改變這些調控元件的可及性來控制細胞命運決定的。

對這個遺傳改變的胚胎的骨骼進行了三維重建，顯示了它的額外肢體和正常肢體（分別為洋紅色和綠松石色）（Credit: Anastasiia Lozovska et al/Nat. Comms）

Behind the Scenes

圍肛中胚層(pericloacal mesoderm)的發育可塑性

圍肛中胚層的獨特性

圍肛中胚層(pericloacal mesoderm)是一種特殊的中胚層組織，位於小鼠胚胎的後端，緊鄰未來的泄殖腔(cloaca)區域。這一組織具有生成外生殖器結構的潛力。然而，在Tgfbr1條件性敲除(cKO)的胚胎中，這一區域被觀察到可以產生額外的後肢結構，而非其原本的外生殖器命運。這一現象揭示了圍肛中胚層在發育過程中的顯著可塑性，意味著在特定的分子和細胞環境中，這一組織能夠重新獲得生成肢體結構的能力。

細胞親和性的差異

細胞親和性(cell affinity)是指細胞間相互吸引或排斥的能力，這影響了細胞聚集和組織形成的過程。在Tgfbr1-cKO胚胎中，雖然圍肛中胚層和體節後肢原基(somatopleure-derived limb field)最初似乎是被共同誘導形成一個連續的原基，但它們之間的細胞親和性可能存在差異。這種差異可能阻礙了這兩種組織的混合，導致從圍肛中胚層發展出的結構保持獨立於體節後肢原基形成的正常後肢，從而在Tgfbr1-cKO胚胎中形成兩個獨立的後肢結構。

後肢與外生殖器的發育連接

在胚胎髮育中，後肢和外生殖器通常被認為是來源於共同的原基(primordium)。然而，Tgfbr1的活動可能通過改變圍肛中胚層染色質的可訪問性，影響到後肢和外生殖器的發育。Tgfbr1可以調節某些關鍵的調控元件，使得它們對於特定的發育信號變得不再敏感或過度敏感，這樣就改變了圍肛中胚層中的細胞命運，促使它們向後肢的方向發展，而不是形成外生殖器結構。

組織可塑性對進化的意義

圍肛中胚層的發育可塑性不僅在胚胎髮育中具有重要作用，也可能在物種進化中起到了關鍵作用。例如，在某些爬行動物，如蛇中，後肢的退化可能與這種可塑性有關；而在某些蜥蜴中，則能夠保留後肢結構。Tgfbr1介導的細胞命運改變和調控元件的可訪問性調節，可能在這些進化過程中發揮了關鍵作用，影響了後肢和外生殖器的發育和演化路徑。

Tgfbr1對染色質調控景觀(chromatin regulatory landscape)的影響

通過ATAC-seq(測序)分析，該研究揭示了Tgfbr1如何在小鼠的pericloacal mesoderm中改變基因調控網路，促進了後肢的形成而非外生殖器的發育。

通過主成分分析(PCA)和層次聚類分析，研究團隊發現了Tgfbr1調控下的基因表達模式變化。他們發現某些染色質區域在Tgfbr1作用下開放性增加，這些區域可能是控制肢體命運的關鍵調控元件。另一方面，一些原本在正常情況下參與外生殖器發育的染色質區域在Tgfbr1缺失的條件下開放性降低，暗示著這些區域在控制外生殖器形成中的重要作用。

儘管Tgfbr1信號通路的典型下游效應因子Smad在這一過程中並沒有直接參与染色質區域的開放性調控，但其他因子如Hoxa13、Hoxd13和Isl1在這一過程中發揮作用。特別是，Tgfbr1可能通過調節這些因子對應的染色質區域的開放性，從而間接影響基因表達和細胞命運決定。

此外，研究還提出了一個模型，其中Tgfbr1通過確定哪些增強子元件(enhancer elements)對調控因子開放或不開放，從而調控pericloacal mesoderm的細胞命運。這種調控模式在解釋了後肢和外生殖器共享許多調控輸入信號的同時，還能產生如此不同的成熟結構提供了一個機制。

對其他生物系統的潛在影響

Tgfbr1基因及其編碼的蛋白質TGF-β受體1 (TGF-β receptor 1) 在多種生物系統中發揮著關鍵作用，尤其在轉移性癌症(metastatic cancer)和免疫功能(immune function)中的影響備受關注。這兩個領域的研究揭示了Tgfbr1在細胞信號傳導(cell signaling)、組織再生(tissue regeneration)、炎症反應(inflammatory response)等多種生物過程中的重要性。

轉移性癌症

在轉移性癌症領域，TGF-β信號通路(TGF-β signaling pathway)被認為在癌細胞的侵襲性、遷移(migration)和轉移(metastasis)中起著雙重作用。一方面，TGF-β在正常組織中通常起到抑制細胞增殖(cell proliferation)的作用，有助於維持組織穩態(homeostasis)。然而，在癌症進展的後期，癌細胞往往獲得了對TGF-β抑制作用的抵抗力，TGF-β信號反而促進了癌細胞的侵襲和轉移。這種現象被稱為TGF-β悖論(TGF-β paradox)。Tgfbr1通過激活下游的Smad蛋白質和其他信號分子，可以調節細胞外基質(cellular matrix)的降解，促進癌細胞的運動性和侵襲性，從而在癌症轉移中發揮關鍵作用。

免疫功能

在免疫系統中，Tgfbr1通過調節TGF-β信號，對免疫細胞的分化和功能產生深遠影響。TGF-β是一種多功能細胞因子，能夠影響T細胞(T cells)、B細胞(B cells)、巨噬細胞(macrophages)等多種免疫細胞的行為。特別是在調節T細胞分化方面，TGF-β能夠促進調節性T細胞(regulatory T cells, Tregs)的生成，這些Tregs通過抑制過度的免疫反應，幫助維持免疫耐受(immune tolerance)和免疫平衡(immune homeostasis)。此外，TGF-β也參與了炎症反應中的抗炎過程，通過抑制促炎細胞因子(pro-inflammatory cytokines)的產生，減少組織損傷。

Tgfbr1及其信號通路在轉移性癌症和免疫功能中扮演著複雜而重要的角色。其作用不僅與疾病的發生髮展密切相關，還與機體維持正常生理狀態的能力相關。這也意味著Tgfbr1及相關信號通路的潛在治療應用，如在某些情況下抑制TGF-β信號可能有助於抑制癌症的轉移，在其他情況下則可能需要激活TGF-β信號以增強免疫調節作用。然而，由於TGF-β信號在不同組織和發展階段的多樣作用，開發針對該通路的治療策略需要高度的精確性和選擇性。

雙頭陰莖(hemipenes)的發育的啟示

該研究中發現的Tgfbr1調控後肢與外生殖器發育的機制可能為理解爬行動物中雙頭陰莖(hemipenes)的發育提供了一定的啟示。爬行動物中的雙頭陰莖是一種特殊的生殖器官，存在於一些沒有後肢的物種中，如蛇類。這種器官的發育可能涉及了與哺乳動物後肢與外生殖器發育中相似的發育可塑性(developmental plasticity)和基因調控網路。

在研究中，Tgfbr1通過改造染色質調控景觀(chromatin regulatory landscape)，調節了pericloacal mesoderm的細胞命運，促進了後肢而非外生殖器的發育。這一機製表明，Tgfbr1及其下游信號分子能夠在發育過程中重塑基因表達，從而影響特定器官的形成。

對於爬行動物雙頭陰莖的發育，雖然具體的調控機制可能與哺乳動物存在差異，但Tgfbr1信號通路在調節細胞命運和器官形成方面的通用作用可能同樣重要。特別是在沒有後肢的情況下，Tgfbr1及相關信號通路可能在調節原始器官(primitive organs)如雙頭陰莖的形成中起到關鍵作用，例如通過調控與後肢發育共享的基因表達模式，或是通過促進特定細胞群體的分化。

此外，爬行動物雙頭陰莖的獨特發育模式也可能涉及其他特異性的調控因子和信號通路。例如，一些特定的同源框基因(homeobox genes)和生長因子可能在調控這一過程中發揮作用。進一步的研究需要揭示這些信號通路如何在不同生物系統中被共同利用和改造，以適應各自獨特的發育需求和生態位。

雖然Tgfbr1調控機制在爬行動物雙頭陰莖發育中的適用性需要更多的實驗數據來證實，但該研究提供的機制可能對理解爬行動物中類似器官的形成提供了有價值的視角。探索不同生物之間共享的調控模式不僅能增進我們對生物多樣性的理解，還可能揭示進化過程中保守的發育策略。

研究的意義與影響

該研究通過探索Tgfbr1在調控小鼠後肢和外生殖器之間的發育可塑性中的作用，對遺傳學(genetics)、發育生物學(developmental biology)和進化論(evolutionary theory)做出了重要貢獻。

在遺傳學領域，該研究揭示了Tgfbr1及其信號通路如何通過調控染色質的可訪問性(chromatin accessibility)影響特定基因的表達。這種調控機制不僅展示了單個基因如何在複雜的生物學過程中發揮作用，還突顯了表觀遺傳學(epigenetics)在調控基因表達中的重要性。此外，通過揭示Tgfbr1在不同器官發育中的特定作用，該研究也為理解基因如何在特定組織和發育階段中發揮功能提供了見解。

在發育生物學領域，該研究提供了一個關於Tgfbr1如何通過改造染色質調控景觀影響組織發育的案例。這不僅增強了我們對於哺乳動物肢體發育的理解，還揭示了器官發育的深層調控機制。特別是，該研究表明，即使在進化上距離較遠的器官（如後肢和外生殖器）之間也存在發育可塑性，這種可塑性由共享的調控網路支持。此外，該研究還強調了調控因子在維持發育穩定性和允許器官多樣性中的重要作用。

從進化論的角度看，該研究提供了一個示例，說明單個調控因子如Tgfbr1如何在不同物種和器官中保持其功能的同時，也支持了形態的多樣性和適應性。這種調控因子的保守性和可塑性是理解進化過程中形態多樣性演化的關鍵。特別是，該研究通過揭示哺乳動物器官發育中的調控機制，為比較進化發育學(comparative evolutionary developmental biology，簡稱「evo-devo」)提供了新的見解，有助於理解不同生物之間共享的發育策略和適應性演化。

新的研究方向

發育生物學與表觀遺傳學結合: 通過揭示Tgfbr1如何通過改變染色質可及性(chromatin accessibility)來影響細胞命運，這項研究強調了發育過程中基因表達調控的複雜性。這開啟了一個將發育生物學(developmental biology)與表觀遺傳學(epigenetics)結合起來的新研究方向，尤其是在研究染色質結構如何影響特定發育階段和組織中基因表達的過程。

比較進化發育生物學("Evo-Devo"): 該研究還為比較不同物種中相同調控因子的作用提供了新的視角，尤其是在形態發育的可塑性和進化上。研究Tgfbr1在不同生物體中的作用，可以揭示進化過程中保守信號通路如何適應不同的生態和生物學需求，促進形態多樣性。

再生醫學和組織工程: 了解Tgfbr1及其信號通路在組織和器官發育中的具體作用，為再生醫學(regenerative medicine)和組織工程(tissue engineering)提供了潛在的新策略。例如，通過調控Tgfbr1活性來促進受損組織的再生或在體外培養中引導特定細胞類型的分化。

可能的應用領域

疾病治療: Tgfbr1及其信號通路在許多疾病中起著重要作用，包括癌症、纖維化(fibrosis)和炎症性疾病。通過更好地了解這一通路如何在疾病中被誤調控，可以為開發針對性的治療方法提供線索，例如設計小分子抑製劑或拮抗劑來調節TGF-β信號傳導。

生殖健康: Tgfbr1在外生殖器發育中的作用提示，這一信號通路可能與某些生殖系統發育異常有關。研究Tgfbr1在生殖系統發育中的作用，可能有助於理解和治療與性器官發育相關的先天性疾病。

個性化醫學: 通過研究Tgfbr1信號通路在不同個體中的變異，可以為個性化醫學(personalized medicine)提供重要信息。了解患者Tgfbr1信號通路的特定變異如何影響疾病風險和治療反應，有助於定製更有效的治療策略。

Q&A

Tgfbr1基因在胚胎髮育中的作用是什麼？

Tgfbr1基因是一種編碼受體蛋白的基因，該蛋白質在多種細胞信號傳遞路徑中起著至關重要的作用。在胚胎髮育過程中，這些信號傳遞路徑對於細胞的增殖、分化和定位至關重要。具體而言，Tgfbr1參與的信號通路在調節胚胎各部位的形成中起著關鍵作用，包括但不限於脊髓的發展和四肢的形成。通過精確調控這些信號通路，Tgfbr1幫助確保胚胎能夠正確地發展成一個具有完整器官和功能的個體。

如何解釋六足鼠胚胎的形成？

六足鼠胚胎的形成是由於在胚胎髮育的關鍵時期內部分禁用了Tgfbr1基因。這種基因操作干預了正常的信號傳遞路徑，導致了原本應該發展為生殖器官的原始結構轉而形成了額外的後肢。這一現象揭示了Tgfbr1在確定原始結構命運中的關鍵作用，即通過調節細胞內DNA的摺疊和基因表達模式，來指導這些結構發展為特定的器官或肢體。因此，當Tgfbr1的功能受到抑制時，這種精細的調控失衡，從而導致了異常的肢體發育，即在鼠胚胎中形成了兩個額外的後肢。

研究對理解人類遺傳疾病有何意義？

遺傳學在人類疾病的研究和治療中扮演著核心角色。本研究通過揭示Tgfbr1基因在胚胎髮育中的關鍵作用，為我們提供了一扇窗口，讓我們得以窺見基因如何影響生物形態的發展及其可能的異常。許多遺傳性疾病都與基因缺陷有關，通過了解基因在正常發育中的作用，研究人員能夠更好地識別導致疾病的基因異常。此外，這項研究還有助於推動再生醫學和組織工程領域的發展，可能為治療各種先天性缺陷、創傷後恢復乃至器官再生提供新的策略和方法。

爬行動物的雙生殖器發育機制與這項研究有何關聯？

爬行動物，特別是蛇類的雙生殖器發育，是生物學中一個令人著迷的現象。本研究中的六足鼠胚胎提供了一個獨特的模型，幫助我們理解爬行動物雙生殖器的發育機制。在爬行動物中，雙生殖器（雙生殖腔）可能源自於在演化過程中未分化成肢體的原始結構。這項研究揭示了Tgfbr1基因在決定原始結構發育命運中的作用，為我們提供了線索，或許可以用來解釋爬行動物雙生殖器是如何從相似的原始結構中演化而來的。這不僅增進了我們對特定生物形態發展機制的理解，也為進一步探索生物演化過程中的形態變化提供了重要的理論基礎。

參考文獻

Lozovska A, Korovesi AG, Dias A, Lopes A, Fowler DA, Martins GG, Nóvoa A, Mallo M. Tgfbr1 controls developmental plasticity between the hindlimb and external genitalia by remodeling their regulatory landscape. Nat Commun. 2024 Mar 20;15(1):2509. doi: 10.1038/s41467-024-46870-z. PMID: 38509075; PMCID: PMC10954616.

Reardon S. Scientists made a six-legged mouse embryo - here's why. Nature. 2024 Mar 28. doi: 10.1038/d41586-024-00943-7. Epub ahead of print. PMID: 38548980.

責編|探索君

排版|探索君

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