2023年11月22日，进化所董波教授团队在生物学期刊《Current Biology》以长篇论文形式在线发表研究成果“A collagen-rich arch in the urochordate notochord coordinates cell shaping and multi-tissue elongation”（海鞘脊索分泌形成的细胞外胶原蛋白超细胞桥结构调控细胞自身形态及多组织协调延伸）。该论文首次发现尾索动物海鞘脊索组织周围存在一个连接脊索组织与表皮的胶原蛋白超细胞桥，阐明了该结构的形成是基于胶原蛋白流动性以及脊索与肌肉和表皮等周围组织形成模具的塑造。论文进一步探究发现该超细胞桥结构不但具有维持脊索组织细胞机械性能、促进脊索延伸的功能，而且还协调了幼虫尾部延伸过程中多组织间的生长和运动，揭示了细胞胞外基质介导组织间的机械信号传导从而协调多组织形态发生的新机制。
细胞和组织形变是胚胎图式形成的关键步骤。胚胎发育过程中，多种组织和器官精确的形成互补的形态，以构成完整的整体结构，然而，组织和器官如何如此精准调控自身的形态和大小以及如何调控自身与周围组织和器官的协调生长和运动，其机制仍不清楚。许多研究表明，该过程并不完全依赖于基因表达调控，而是受多种化学和物理信号的综合调控，是一个不同组织间信息交流的自组织过程，但其具体信号转导机制仍不清楚。细胞外基质（Extracellular Matrix，ECM）是一类由细胞分泌，在细胞外组装且起作用的生物大分子物质，其在细胞间隙中构成精细结构，为组织形态发生提供大量化学和生物力学信号，广泛参与组织间的信息交流。在海鞘幼虫脊索组织周围，存在一层与基底膜类似的由胞外基质构成的脊索鞘，对于海鞘脊索的形态发生具有重要的调节作用。其中，胶原蛋白II和V被发现特异性表达于脊索细胞中，是脊索鞘的重要组成成分。
通过免疫荧光和荧光融合蛋白标记海鞘脊索胶原蛋白，该研究团队发现了一个富集胶原蛋白的超细胞桥结构，其由脊索细胞分泌， 除环绕脊索组织外，该结构进一步向胚胎外侧伸展，由背神经管和内胚层索两侧的组织间隙穿过，延伸至表皮下，构成了一个桥梁结构，类似于脊椎动物的脊椎骨形态，将脊索与表皮组织连通（图 1）。作者通过荧光漂白实验（FRAP）和活体延时摄影进一步探究该结构的形成方式。发现该胶原蛋白结构具有高度的流动性（图 2），其具有沿组织间隙运动的特性，且该结构的形成依赖于肌肉间的细胞连接封闭组织间隙，从而使脊索与周围组织形成一个桥梁结构的模具。脊索组织分泌的具有流动性的胶原蛋白在模具的塑造下，在海鞘幼虫尾部形成一个连接脊索与表皮组织并贯穿前后轴向的超细胞桥结构（图 1）。
图1. 胶原蛋白超细胞桥形态 （A）胶原蛋白免疫荧光显示超细胞桥的形态。上图Bar = 100 mm，下图Bars = 10 mm. （B）胶原蛋白超细胞桥结构模型图。（C）人类脊索解刨结构示意图（引用自网络）
团队前期研究发现脊索组织延伸过程中，脊索细胞基底膜中央位置会形成一个细胞骨架构成的缢缩环结构，该缢缩环中的微丝蛋白通过与其马达蛋白相互作用产生收缩机械力，推动脊索细胞和组织延伸 (Dong et al., 2009; Dong et al., 2011; Sehring et al., 2014; Sehring et al., 2015)。该项研究中，作者通过collagen基因敲降和抑制剂处理，发现其对于海鞘脊索细胞的延伸起重要作用，通过增加脊索基底面弹性，将缢缩环产生的机械力均匀传导到脊索表面的方式，促进脊索的延长（图 2）。
图2. 胶原蛋白超细胞桥具有流动性，参与脊索延伸调控。（A）胶原蛋白超细胞桥和脊索鞘淬灭后恢复实验。Bar = 5 mm.（B）A中淬灭区域相对荧光强度的定量统计。（C）基质金属蛋白酶过表达降解胶原蛋白超细胞桥表型。Bar = 20 mm.（D）BAPN抑制剂处理破坏胶原蛋白纤维交联表型。Bar = 10 mm.（E）胶原蛋白基因敲降表型及过表达营救。Bar = 100 mm.
此外， 胶原蛋白超细胞桥将多种组织类型远距离连接，为了探究该结构对于周围组织形态发生的作用，作者定量化统计了collagen基因敲降和BAPN抑制剂处理后的胚胎表皮和脊索细胞长度。发现胶原蛋白超细胞桥被破坏后，表皮细胞的缩短比例显著大于脊索细胞，这一统计结果表明表皮细胞的延伸速度慢于脊索，导致了二者的不协调运动（图 3）。动态影像表明，当该胶原蛋白桥受到破坏后，海鞘表皮延伸速度显著落后于脊索，最终由于表皮的长度限制导致脊索组织的崩塌。为了排除表皮的缩短是整个尾部缩短的连带效应，作者通过阻断FGFR信号造成胚胎发育中的尾部缩短，但维持胶原蛋白超细胞桥的结构稳定。定量统计结果显示表皮与脊索均有缩短，但其缩短比例是一致的，二者仍然协调运动（图 3）。综合两组实验结果，作者阐述了该结构对于海鞘胚胎尾部多组织延伸的相互协调起到重要作用。
图3. 胶原蛋白超细胞桥参与表皮-脊索协调延伸（A）胶原蛋白基因敲降表皮与脊索形态。（B）A中表皮与脊索细胞长度比值定量统计。（C）FGFR缺失体过表达抑制脊索延伸后表皮与脊索形态。（D）C中表皮与脊索细胞长度比值定量统计。（E）胶原蛋白超细胞桥参与表皮-脊索协调延伸模式图。
该项研究结果证明了胶原蛋白构成的脊索鞘和超细胞桥在脊索组织形态发生和多组织协调形变中的调控作用，为细胞如何构建自己的胞外基质环境，并利用这些胞外结构间接调控细胞自身的运动和形变行为，并远距离传导信号进行多组织协调运动提供了重要参考。
另外，海鞘尾部形成的细胞胶原蛋白超细胞桥与脊椎动物脊椎骨结构类似，也具有类似连接和协同多组织运动功能。以前的研究发现，一些其他器官的演化过程，在骨化之前也经历一段由ECM构成的阶段。如云南鱼的腮弓，由纤维状ECM构成，ECM致密坚韧的纤维结构使其功能上得以替代骨质的腮弓发挥作用(Tian et al., 2022)。由于海鞘的脊索胶原蛋白超细胞桥在形态上与脊椎动物椎骨具有相似性，作者推测其可能在脊索骨化之前为脊索提供足够的强度，作为椎骨形成前的功能替代结构。
中国海洋大学博士生彭鸿哲为本论文第一作者，董波教授为通讯作者，课题组博士生乔靖涵，施文杰，硕士生王贵琳，夏凡，乔润雨参与了本项目工作。研究工作受到崂山实验室科技创新项目、国家重点研发项目和山东省泰山学者计划等项目资助。
文章链接：
https://authors.elsevier.com/sd/article/S0960-9822(23)01515-4
参考文献：
Dong, B., Deng, W. and Jiang, D. (2011) Distinct cytoskeleton populations and extensive crosstalk control Ciona notochord tubulogenesis, Development 138(8): 1631-41.
Dong, B., Horie, T., Denker, E., Kusakabe, T., Tsuda, M., Smith, W. C. and Jiang, D. (2009) Tube formation by complex cellular processes in Ciona intestinalis notochord, Dev Biol 330(2): 237-49.
Sehring, I. M., Dong, B., Denker, E., Bhattachan, P., Deng, W., Mathiesen, B. T. and Jiang, D. (2014) An equatorial contractile mechanism drives cell elongation but not cell division, PLoS Biol 12(2): e1001781.
Sehring, I. M., Recho, P., Denker, E., Kourakis, M., Mathiesen, B., Hannezo, E., Dong, B. and Jiang, D. (2015) Assembly and positioning of actomyosin rings by contractility and planar cell polarity, Elife 4: e09206.
Tian, Q., Zhao, F., Zeng, H., Zhu, M. and Jiang, B. (2022) Ultrastructure reveals ancestral vertebrate pharyngeal skeleton in yunnanozoans, Science 377(6602): 218-222.
