原始内胚层特化相关基因调控及信号通路综述
摘要：原始内胚层（primitive endoderm，PrE）是受精卵在胚胎发育过程中的胚外结构之一，由内细胞团（Inner cell mass，ICM）衍生而来。胚胎干细胞（Embryonic stem cell，ESCs）是一类能在体外培养，具有多分化方向特性的细胞。胚胎干细胞几乎能被诱导分化为机体所有的细胞类型。将干细胞分化成各个谱系是发育原理的基础，在脊椎动物中，原始内胚层不仅是为胚胎提供营养支持的胚外结构，而且作为胚胎早期发育的诱导组织发挥重要作用。原始内胚层的分化过程受到多条信号通路及相关基因的复杂调控，包括FGF/PDGF信号通路、JAK/STAT/mTOR信号通路等，探究原始内胚层分化调控的相关信号通路及相关基因可以帮助我们了解小鼠胚胎发育早期决定机制。
关键词：原始内胚层；胚胎干细胞；基因调控；信号通路
小鼠受精卵形成囊胚后着床于子宫内膜形成三种细胞谱系：位于囊胚最外层的滋养外胚层、衬于囊胚腔外的原始内胚层以及维持多潜能性的上胚层谱系。小鼠囊胚发生两次细胞命运决定事件，第一次命运决定发生在8-16细胞期和16-32细胞期[1]，内部细胞（ICM）保持全能性，外部细胞发育形成滋养外胚层。第二次细胞命运决定发生在囊胚早期，内细胞团中的原始内胚层和上胚层逐渐开始分离。原始内胚层继续发生分层以分别形成包裹囊胚腔的腔壁内胚层和包裹在三胚层中外胚层外的内脏内胚层，最终形成卵黄囊结构。ICM中分化为两种类型细胞，一种Nanog阳性，另一种Gata6阳性，两者的分布呈现“盐和胡椒”模式，这表明大多数ICM细胞已经决定了它们自身的特化命运。
首先，在囊胚中期，由一个ICM细胞亚群产生的FGF4与相邻ICM细胞上的FGFR1结合并激活ERK1/2，从而诱导PrE命运。早期使用选择性抑制剂的研究证实了ERK1/2参与命运前测定[2]。第二，选择性抑制PI3K显著减少了发育到囊胚阶段的胚胎数量，并增加了细胞核碎片的细胞比例[3]。在扩张的囊胚中，PDGFA[4]向PDGFRalpha;发出信号，并可能向FGFR2发出FGF4信号，激活新形成的PrE细胞中的PI3K，这可能控制它们的存活和可能的位置[5] [6]。因此推测，在着床前的胚胎中，多种信号通路在确定细胞命运过程中是有顺序的。受体酪氨酸激酶信号（RTK）通路是小鼠胚胎植入前ICM形成原始内胚层（PrE）和上胚层（Epi）的关键信号通路，包括了FGF（fibroblast growth factor）和PDGF信号。其中，FGF信号对PrE细胞的分离表达至关重要，而PDGF信号对PrE细胞的存活至关重要。因此，ICM细胞谱系多样化依赖于至少涉及两个主要RTK的动态顺序信号通路：FGF（谱系规范）和PDGF（存活/扩展）。在发育前期，PI3K和mTOR是PDGF信号的下游，影响Epi和PrE细胞谱系的特化比例。
原始内胚层特化的相关信号通路
PrE谱系表达与FGF信号通路
众所周知，FGF信号通路在小鼠胚胎着床前的发育过程中调节来自内细胞团（ICM）的原始内胚层（PrE）和上胚层（Epi）的细胞谱系的分离。FGF活性的遗传和药理学调节直接影响细胞谱系决定，进一步说，FGF活性的丧失有利于Epi细胞的发育命运[2, 7-9]。FGF4由ICM中的Epi前体细胞产生，是胚胎植入前表达的唯一FGF配体[4]，与FGFRs结合并诱导一些ICM细胞中PrE的命运。在存在FGF4的情况下培养野生型E2.5的胚胎可诱导所有ICM细胞的PrE命运，并挽救Fgf4-/-胚胎的PrE发育[10-12]。令人惊讶的是，FGF4对Fgfr1-/-和Fgfr2-/-复合突变胚胎的处理揭示了FGF4通过Fgfr1发出信号以诱导ICM细胞PrE命运的绝对需求，即使在极高剂量下，FGF4也无法通过Fgfr2诱导PrE规范[13]。这些结果表明FGFR1和FGFR2都是PrE谱系发育所必需的，但是FGFR1参与的信号通路在FGF4诱导的PrE命运规范中起着关键作用。此外，Nanog在常规培养条件下的ES细胞中呈现波动表达，外源性FGF信号的添加抑制了ES细胞中Nanog的表达，而FGF信号抑制剂的加入使得Nanog稳定表达[14]。这说明了FGF信号阻断了ES细胞的Epi分化命运，从而有利于细胞选择PrE分化命运。
FGF配体与FGFRs结合以参与多种下游信号通路，包括介导细胞反应的ERK1/2和PI3K/AKT[5]。在MEK抑制剂存在下培养野生型E2.5胚胎可导致PrE细胞数量的显著减少和Epi细胞数量的代偿性增加[2]。这表明FGF激活MEK/ERK信号对PrE细胞命运的调控至关重要。相反，使用一系列小鼠敲除基因的等位基因来阻止Src、SHP2、PLCgamma;和PI3K与PDGFR的结合的研究表明PI3K是PDGFRalpha;下游的主要信号通路[15]。因此，通过FGFR2和/或PDGFRalpha;参与的PI3K信号可能在细胞前存活中发挥作用。
PrE存活与PDGF信号通路
PDGF信号在PrE生物学中也起着重要作用，并在PrE命运决定前进行调节其存活[16]。PDGF信号在PrE存活中的作用是通过PI3K-mTOR介导的，与p53无关。PI3K-mTOR信号参与多种细胞过程，并由多个下游信号转导子介导，包括PI3K和MAPK（Mitogen-Activated Protein Kinase）[17]。原始内胚层形成过程中，Fgf4、Fgfr2和Grb2（一种SH2/SH3适配蛋白）共同作用并激活MAPK信号通路。
在ES细胞中，作为PI3K/mTOR途径靶点的核糖体蛋白S6（pRPS6）的磷酸化降低，影响Epi和PrE细胞系的存活，但不影响TE细胞系的存活。mTORC1和mTORC2活性的抑制导致Epi和PrE细胞数量显著减少[14]。因此得出结论，两种ICM细胞系的存活都需要PI3K和mTOR的活性。通过PI3K和mTOR复合物介导PDGF信号在PrE细胞存活中的作用的实验，使用Pdgfralpha;突变等位基因编码不能结合PI3K的受体，表明PDGF信号通过PrE细胞中的PI3K发挥作用[18]。PI3K/AKT通路在胚胎植入前是活跃的[19]。PDGFRalpha;介导的PI3K信号在发育前期起关键作用，且PI3K是PDGFRalpha;下游的主要信号通路[20, 21]。
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