Nodal信号通路：TGFβ在胚胎发育中的信号传导范式

本综述系统阐述了Nodal作为TGFβ超家族成员在胚胎发育中的核心作用，涵盖其分子进化、信号转导机制（包括配体加工、受体激活及Smad依赖性转录调控）及其在多能性维持、中内胚层诱导、左右不对称（L-R）模式形成中的关键功能。文章强调了Nodal作为形态发生素（morphogen）通过浓度梯度、持续时间、反馈调节及多通路交叉对话（如BMP、Wnt、FGF）精确调控组织模式的多种机制，为理解胚胎发育及人类疾病（如癌症）提供了重要范式。

　　

Nodal信号通路作为TGFβ超家族的重要成员，在双侧对称动物早期进化中便已出现，并在脊椎动物胚胎发育过程中扮演着不可或缺的角色。它精确调控中胚层与内胚层的特化、身体轴向模式建立、左右不对称性的决定以及多能性的维持。其功能具有高度的组织特异性，并常通过与其他信号通路的交互来实现。Nodal已成为研究形态发生素的典范，其采用多种机制进行组织模式形成，包括浓度依赖性效应、持续时间依赖性效应、反馈调节、反应-扩散相互作用以及尺度不变性。Nodal信号激活一系列广泛的靶基因，这些基因指定细胞类型、重塑细胞内外的微环境，并驱动细胞运动和形态发生。尽管Nodal的发育功能在脊椎动物中高度保守，但其引发转录应答和模式化胚胎组织的诸多机制细节仍有待阐明。

分子通路的进化与架构

Nodal信号通路的核心分子组件在不同后生动物中呈现出不同的保守程度。系统发育研究表明，Nodal基因在双侧对称动物进化早期便已出现。Nodal直系同源物广泛存在于后口动物中，并在冠轮动物（lophotrochozoans）的不同物种中被发现。与之相对，在蜕皮动物（ecdysozoans）中尚未发现其同源物。Nodal的异源二聚化伙伴Vg1/Gdf1/3、其抑制剂Lefty以及EGF-CFC家族共受体被认为与Nodal一同在双侧对称动物支系中起源。相比之下，通路中的其他组分，如Activin I型和II型受体、Activin配体、Smad2/3和Smad4，在后生动物中显示出更广泛的保守性，表明它们可能参与了早期后生动物进化。

在配体翻译之前，Nodal（激动剂）和Lefty（拮抗剂）的转录本受到microRNA miR-430的调控。Nodal与TGFβ家族成员Vg1/GDF1/3亚家族形成异源二聚体，例如在斑马鱼中，母源提供的Gdf3与Nodal配体结合，是中胚层和内胚层诱导所必需的。异源二聚体的形成对于Gdf3的细胞外分泌至关重要。Nodal-Gdf3异源二聚体被分泌后，被前蛋白转化酶（如Furin和Pace4）在细胞外空间加工成熟。

成熟的Nodal-Gdf3异源二聚体通过Activin受体和EGF-CFC共受体激活信号级联。它结合I型Activin受体Alk4和Alk7以及组成型磷酸化的II型Activin受体ActrIIa和ActrIIb，触发受体复合物的形成和I型受体的磷酸化。信号起始后，受体经历严格调控的循环或降解过程，以控制信号的持续时间和强度。

细胞外调节是Nodal信号通路活性的重要环节。 divergent TGFβ家族成员Lefty以及Cerberus/DAN家族蛋白（如斑马鱼的Charon）通过直接结合Nodal、Gdf3和/或EGF-CFC共受体Tdgf1，阻断其与受体的相互作用，从而拮抗Nodal活性。

在信号转导层面，Nodal受体激活诱导Smad2/3蛋白C末端两个丝氨酸的磷酸化，并招募Smad4。Smad2/3和Smad4形成异源二聚体或三聚体，与FoxH1、Mixer、Tead、Oct4、Sox2、Nanog和Eomes等辅助因子相互作用，以实现特定的转录靶向，激活诸如_gsc、_tbxta、_sox32和_noto等靶基因，从而诱导中胚层和内胚层特化。

发育过程中的核心功能

Nodal在早期发育过程中履行多种 distinct 功能。它调控哺乳动物植入前和植入后外胚囊的多能性，诱导内胚层和中胚层形成，指导原肠胚形成，并决定左右不对称性。

在多能性维持方面，Nodal信号在哺乳动物植入后外胚囊阶段维持多能态中起关键作用。在小鼠中，Nodal缺失会导致早期原肠胚形成停滞、异位神经标记物表达、以及内胚层和中胚层形成的缺失。Smad2/3双敲除的mEpiLCs（小鼠外胚囊样细胞）未能正确分配三胚层细胞命运。在人类多能干细胞中，Activin/Nodal信号（常用Activin A模拟Nodal功能）可抑制神经外胚层分化，并促进OCT4和NANOG的表达，维持“primed”多能状态。Nodal诱导的多能性维持是由Smad2/3磷酸化激活所介导的，其与Oct4等多能性因子在_Nanog启动子区域相互作用，并通过正反馈回路维持干细胞特性。此功能需要与FGF等其他信号通路的协同作用。

Nodal信号从中胚层和内胚层诱导以及左右模式形成中的作用在脊椎动物中高度保守。在斑马鱼中，Nodal表达始于背侧卵黄合胞体层（YSL），随后通过自我正反馈扩展至边缘区的胚胎细胞，形成信号梯度。高或持续的Nodal信号是内胚层诱导所必需的，而较低或较短时间的信号足以诱导中胚层基因表达。Nodal还与BMP、Wnt和FGF信号协同，通过诱导_chrd (chordin) 和 _dkk (Dickkopf) 等抑制剂来模式化背侧组织者（organizer），并调控中内胚层命运。在小鼠中，Nodal表达始于外胚囊和脏壁内胚层，随后被限制在后部外胚囊和原条。它通过诱导远端脏壁内胚层（随后产生BMP、Wnt和Nodal的抑制剂）来建立前后模式，并直接诱导定形内胚层和轴旁中胚层命运。基于人类干细胞的研究模型表明，Nodal在人类中胚层和内胚层诱导以及前部模式形成中可能具有类似功能。

在左右不对称（L-R Asymmetry）建立中，Nodal是核心调控者。该过程始于节点（node）或Kupffer氏囊等左右组织者（LRO）中纤毛产生的左侧液流（nodal flow）。液流导致左侧Cerberus-like 2 (Cerl2) mRNA的去稳定化，从而解除对Nodal活性的抑制。随后，左侧的Nodal信号通过一个依赖于其异源二聚体伙伴GDF1的正反馈 relay 机制传播至左侧侧板中胚层（LPM）。同时，Nodal诱导其长程抑制剂Lefty在左侧LPM和中线表达，将Nodal活性限制在左侧，确保 robust 的不对称基因表达，并最终激活左侧特性决定因子_Pitx2。

Nodal信号在成体和疾病中的作用主要集中在癌症领域。Nodal和Cripto在黑色素瘤、胰腺癌和乳腺癌等多种癌症中表达，其表达在转移细胞中增加，通过维持癌症干细胞特性和促进上皮-间质转化（EMT）来驱动癌症进展。

模式形成的精密机制

Nodal作为形态发生素的典范，其模式化组织的机制备受关注。其信号域的建立涉及配体的直接细胞外扩散和生产接力（production relay）等多种方式。在斑马鱼中，Nodal信号梯度从胚胎边缘形成并扩展。配体从YSL的局部源起始，通过正反馈诱导自身在靶细胞中的表达，从而扩大生产域。同时，其扩散范围受到EGF-CFC共受体或I型Activin受体瞬时“滞留”的限制，这符合 hindered diffusion 模型。长程扩散的Lefty抑制剂通过负反馈回路，与Nodal形成反应-扩散系统，精细调控信号范围。

该梯度对组织大小变化和信号扰动表现出鲁棒性（Robustness）。Lefty蛋白的负反馈使系统能够缓冲Nodal水平的扰动，并通过其扩散特性根据胚胎体积调整梯度范围，实现尺度不变性（scale invariance）。

靶细胞通过多种机制解读Nodal信号，从而指定不同细胞命运。其一为浓度阈值模型，不同靶基因（如_sox32、_gsc vs _tbxta、_noto）对Nodal信号强度有不同响应阈值，导致其表达域大小不同。其二为持续时间阈值模型，在信号随时间扩展的系统中（如斑马鱼），靶基因的激活需要不同的持续信号暴露时间。这两种机制可整合为时间积分模型，细胞累积接收到的总信号量来决定其命运。此外，Nodal信号的作用还受到其他信号通路（如BMP、Wnt、FGF）的深刻影响，这些通路不仅与Nodal交叉调节彼此活性，更能与Smad转录因子协同，通过组合式增强子调控（combinatorial enhancer regulation）共同决定靶基因的精确时空表达模式，最终 orchestrate 原肠胚形成和L-R模式建立。

结论与展望

对Nodal信号的研究为了解发育中的形态发生素信号传导提供了根本性的见解。未来的研究将受益于新技术，例如用于在体外观察模式形成的培养系统、在体内高分辨率测量信号活动和细胞反应的高通量技术，以及与深度学习、光遗传学和精密扰动相结合的方法。这些努力将最终提供对Nodal信号传导的 regulation、分子机制及其在发育和疾病中影响的系统级理解。