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华中科技大学刘木根组揭示斑马鱼两种视杆细胞的发育过程和调控机制

作者:luojiao 发布时间:2022/3/21 12:00:00
视觉是人类和绝大多数动物获取外界信息的最主要途径。视网膜中的感光细胞(Photoreceptors)是视觉形成的基础。根据形态和生理特性,感光细胞可分为视杆细胞(Rod photoreceptor)和视锥细胞(Cone photoreceptor)两类。视杆细胞负责弱光条件下(夜晚)的视觉,视锥细胞则负责亮光条件下(白天)的高分辨率和彩色视觉。视杆细胞和视锥细胞均源自于视网膜祖细胞(Retinal progenitor cells,RPCs),其发育过程受到严格的调控。在同一物种中,视杆细胞和各种视锥细胞的比例通常是固定的;而在不同物种中,感光细胞在种类和组成比例上存在很大的差异。对感光细胞视蛋白基因的进化分析也显示不同物种的感光细胞在选择压力下发生快速进化(视蛋白基因的增加、减少以及光谱调谐关键位点的改变),以适应各自的生存环境。然而,在进化过程中感光细胞种类和比例改变背后的调控机制目前仍不清楚。

NRL(Neural retina leucine zipper)是大Maf转录因子家族(Large Maf transcription factor family)的成员之一,特异地表达于视网膜和松果体中。Nrl可以激活许多视杆细胞特异性基因(如Nr2e3、Rho、Gnat1、Pde6a、Reep6等)的转录,同时也能抑制一些视锥细胞特异性基因(如ThrbOpn1sw)的表达。在小鼠中敲除Nrl导致视杆细胞的完全消失和蓝视锥细胞的过度发育,产生“全视锥”视网膜;而过表达Nrl可以使视锥细胞命运转向视杆细胞,产生“全视杆”视网膜。在人类中,NRL功能缺失也可导致以视杆细胞缺失和蓝视锥细胞增多为主要特征的ESCS综合征(Enhanced S-cone syndrome)。这些研究证实了Nrl在哺乳动物视杆细胞发育中的决定性作用。在鱼类和其他物种中,关于Nrl基因的功能目前尚缺乏确切的证据和系统的研究。

2022年3月4日,PLOS GENETICS在线发表了华中科技大学刘木根教授团队的论文“Rod genesis driven by mafba in an nrl knockout zebrafish model with altered photoreceptor composition and progressive retinal degeneration”,揭示了斑马鱼中存在nrl依赖和nrl不依赖的两种视杆细胞,从组织、细胞和分子水平对它们的发育过程和调控机制进行了较为全面的研究。


在该项研究中,作者利用CRISPR-Cas9技术构建了一个nrl敲除斑马鱼模型,发现在斑马鱼中nrl仅对胚胎发育时期的第一波视杆细胞的生成是必需的。在受精7天之后,斑马鱼幼鱼进入成长期,此时nrl敲除斑马鱼视网膜开始产生第二波视杆细胞并随着斑马鱼的生长而快速增多(图1)。在nrl敲除斑马鱼进入成年期之后,研究者还发现绿视锥细胞开始逐渐增多,提示可能存在视杆细胞与绿视锥细胞命运转变。


图1 斑马鱼中nrl依赖和不依赖的两种视杆细胞发育模式

为了揭示nrl敲除斑马鱼奇特视网膜表型背后的细胞和分子机制,作者对野生型和nrl敲除斑马鱼视网膜组织进行了单细胞转录组测序分析(图2)。有趣的是,作者发现成年斑马鱼视网膜中的视杆细胞可分为3个亚群,nrl敲除一方面导致视杆细胞的生成减少,另一方面造成rod-1亚群向rod-5和rod-11亚群转变。此外,对3个视杆细胞亚群基因表达模式的聚类分析显示,nrl敲除导致部分视杆细胞错误地表达绿视锥细胞特异性基因,产生视杆-绿视锥融合细胞,再次表明nrl基因可能在视杆细胞与绿视锥细胞的命运选择中发挥重要作用,也提示一部分视杆细胞和绿视锥细胞可能具有共同的发育起源。


图2 斑马鱼中nrl依赖和不依赖的两种视杆细胞发育模式

通过对斑马鱼视网膜单细胞测序数据的进一步挖掘,作者发现与nrl同家族的Large Maf转录因子mafba可能是斑马鱼中另一个调控视杆细胞发育的关键因子。通过对nrlmafba双敲除斑马鱼中视杆细胞发育过程的追踪研究,作者证实了mafba以一种剂量依赖的方式维持第二波nrl不依赖的视杆细胞的发育。对mafba基因的共线性分析显示,mafba对视杆细胞的发育调控可能出现在进化中的较晚时期,为现代硬骨鱼类独有的功能。最后,作者还检测了视杆细胞的发育缺陷对整个视网膜的影响,发现在年老的nrl敲除斑马鱼中出现了视网膜变性的表型。


图3 改进版的斑马鱼视杆细胞发育模式

综上所述,该研究首次证实斑马鱼中至少存在2种具有不同发育模式和调控机制的视杆细胞亚群,发现了视杆细胞与绿视锥细胞的命运转变,揭示了视杆细胞命运决定基因nrl进化保守的和不保守的生物学功能,鉴定了mafba作为一个新的视杆细胞发育调控因子,为理解感光细胞的进化、发育和变性提供了新的视角。华中科技大学刘木根教授、徐承启副教授和中科院水生所罗大极研究员为本文共同通讯作者,水生所副研究员刘飞(原华中科技大学博士后)和湖北妇幼保健院秦亚运博士为共同第一作者。据悉,该研究涉及的斑马鱼品系,将保藏至国家水生生物种质资源库国家斑马鱼资源中心。
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