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Scientific Reports:一个基因在颅骨发育中的作用

哺乳动物的胚胎发育是一个极其复杂和精确的过程。特定的分子事件充当线索,告诉胚胎中的细胞向何处移动以及发育成哪种类型。在发育的某些阶段,这些细胞中不同基因的表达水平会发生变化,从而产生进一步发育的信号。

近日,东京医科齿科大学(TMDU)的研究人员利用小鼠开展实验,展示了一个特定基因如何指导头部组织的形成。这项成果发表在《Scientific Reports》杂志上。

Sachiko Iseki领导的研究团队发现,一个名为远端缺失同源盒5(Dlx5)基因的表达有助于小鼠头部的某些细胞发育成软骨细胞,而另一些细胞则发育成骨细胞。这对颅骨的正确形成至关重要。

神经嵴细胞(NCC)是近年来发育生物学研究的热点,因为它们可以转化为包括神经元在内的多种细胞类型,而头部区域的细胞又可以分化为骨骼和软骨。神经嵴细胞在发育早期形成一个初始层,建立真皮和脑膜,然后另一组神经嵴细胞变成骨形成细胞,细胞区域逐渐扩大,形成颅骨保护大脑。

根据这些以往的研究结果,东京医科齿科大学的研究人员想了解增加Dlx5的表达将如何影响神经嵴细胞的分化。

第一作者Tri Vu Hoang表示:“我们利用小鼠模型来进一步了解Dlx5的过表达如何影响颅骨发育。我们采用了Cre-LoxP同源重组系统,让一组小鼠的神经嵴细胞高水平表达Dlx5,然后将它们的头部发育情况与另一组未经过遗传改造的小鼠进行比较。”

研究人员首先证实,正如他们预期的那样,在两组小鼠的颅骨和软骨形成之前,Dlx5就已经在改造小鼠的神经嵴细胞中表达。他们观察到,与对照组相比,神经嵴细胞中Dlx5表达量更高的小鼠的骨骼和软骨层均增强。

“我们在神经嵴细胞中看到了Dlx5过表达的有趣反应,”资深作者Sachiko Iseki谈道。“在Dlx5改造小鼠的头部,本来形成初始软组织层的神经嵴细胞转化为骨骼和软骨。”

在形成新软骨和骨骼的区域,研究人员还检测了一些促进骨骼和软骨生长的基因的表达。他们观察到促骨骼和软骨形成的多个主要基因上调,包括β-catenin和Pdgfra。这些基因在Dlx5改造小鼠的大脑附近表达,而对照动物中则没有。这些结果表明,在骨骼和软骨形成时,最初的软组织层转变为两个不同的层。

“我们的结果揭示了小鼠头顶区域神经嵴细胞的早期发育;那里存在两个细胞层,展现出骨骼和软骨的分化潜能,”Vu Hoang说。“Dlx5在神经嵴细胞中的过表达是胚胎发育中的一种人为情况,但它向我们展示了一个有趣的现象,方便我们探索头顶区域一些不为人知的发育机制。”

随着研究人员成功揭开与颅骨发育有关的复杂机制,这项研究将推进发育生物学领域的发展。

原文检索:

Tri H. Vu, Masaki Takechi, Miki Shimizu, Taro Kitazawa, Hiroki Higashiyama, Akiyasu Iwase, Hiroki Kurihara, Sachiko Iseki. Dlx5-augmentation in neural crest cells reveals early development and differentiation potential of mouse apical head mesenchyme. Scientific Reports, 2021; 11 (1) DOI: 10.1038/s41598-021-81434-x


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