Chordin介导的BMP配体穿梭机制在刺胞动物次生体轴模式形成中的作用及进化意义

时间：2025年6月15日

来源：SCIENCE ADVANCES

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本研究通过构建BMP2/4-FLAG-sfGFP转基因海葵模型，结合局部Chordin源实验，首次证实刺胞动物Nematostella中Chordin通过细胞外可移动性介导BMP配体（BMP2/4/BMP5-8异源二聚体）的主动转运，形成对侧BMP信号梯度（pSMAD1/5），揭示了BMP穿梭机制在两侧对称动物共同祖先中可能存在的保守性，为动物体轴进化研究提供关键证据。

在动物发育生物学领域，体轴模式形成一直是核心科学问题。两侧对称动物（Bilateria）的背腹轴（DV轴）形成依赖BMP（骨形态发生蛋白）信号梯度，而刺胞动物（Cnidaria）作为两侧对称动物的姐妹群，其"指令轴"（directive axis）同样呈现BMP依赖的极性模式。有趣的是，海葵Nematostella vectensis中BMP配体（BMP2/4和BMP5-8）与拮抗剂Chordin共表达于胚胎一侧，但BMP信号活性（pSMAD1/5）峰值却出现在对侧，这种"镜像分布"现象背后的分子机制存在两大假说：Chordin介导的BMP配体主动"穿梭"模型（shuttling model）与局部抑制模型（local inhibition model）。解决这一争议对理解两侧对称体型的进化起源至关重要。

为阐明这一机制，国外研究团队构建了BMP2/4-FLAG-sfGFP转基因海葵品系，结合蛋白质分馏、共免疫沉淀（CoIP）和局部Chordin源等创新实验设计。研究发现成熟BMP2/4/5-8异源二聚体主要滞留于细胞表面（EC组分），且能与Chordin直接互作。关键突破在于建立了Chordin morphant（ChdMO）背景下局部表达体系：当可移动Chordin在特定区域表达时，可在对侧诱导pSMAD1/5信号；而膜锚定形式的Chordin-CD2仅能在表达细胞内部引发微弱信号。这一结果确证了细胞外Chordin的移动性是其介导BMP长距离信号传递的必要条件。

研究首先通过构建BMP2/4-FLAG-sfGFP功能性标记蛋白，证明其与BMP5-8形成异源二聚体后仍保持信号活性。蛋白质分馏实验揭示成熟BMP配体主要存在于细胞表面组分而非培养基中，暗示其可能通过细胞外基质受限扩散。CoIP实验证实Chordin能与BMP2/4/5-8及GDF5-like（GDF5L）等所有Nematostella BMP配体结合。通过单卵裂球注射技术在ChdMO胚胎中建立局部Chordin源，结合pSMAD1/5免疫荧光检测，实现了对BMP信号空间分布的精准操控。

在"BMPs are retained on the surface of the cells and interact with Chordin"部分，研究发现BMP2/4-FLAG-sfGFP转基因能部分挽救BMP2/4MO表型，且该融合蛋白在细胞顶侧区域形成聚集。Western blot显示成熟BMP配体主要存在于EC组分（细胞表面），而缺失配体结构域的前体蛋白（proBMP2/4-FLAG-sfGFP）则大量分泌至培养基，提示BMP成熟结构域介导细胞表面滞留。CoIP证实Chordin能与BMP2/4/5-8及GDF5L形成复合物。

"Long-range BMP signaling requires diffusible Chordin"章节通过精妙的局部源实验证明：在ChdMO胚胎中，可移动Chordin能在非表达区域（对侧）重建pSMAD1/5梯度；而膜锚定Chordin-CD2仅能在表达细胞内激活微弱信号。当同时敲除BMP2/4和GDF5L后，局部共表达Chordin+BMP2/4+BMP5-8（CBB）仍可激活对侧信号，证明GDF5L非必需但可增强信号强度。这些数据有力支持了BMP穿梭模型。

讨论部分指出，Nematostella中Chordin的促BMP信号功能（morphant中信号完全消失）与经典拮抗作用看似矛盾，实则反映了其在配体运输中的双重角色。与脊椎动物CV2（Crossveinless-2）类似，膜锚定Chordin-CD2表现出的局部促信号效应，可能通过促进BMP-受体相互作用实现。研究首次在非两侧对称动物中证实BMP穿梭机制，支持"两侧对称体型祖先假说"——即刺胞动物-两侧对称动物最后共同祖先可能已具备Chordin依赖的体轴模式形成机制。

该研究发表在《SCIENCE ADVANCES》的重要意义在于：从分子机制层面揭示了BMP/Chordin调控模块在动物进化中的深层保守性，为理解体型进化提供了关键实验证据。技术层面建立的Nematostella局部信号源操控体系，为后续研究非模式生物的形态发生机制提供了新范式。进化发育生物学视角下，研究既支持了BMP信号系统在两侧对称起源中的核心地位，也为解释不同动物类群体轴模式的多样性提供了理论基础。