环境暴露组通过差异调控原神经基因影响果蝇刚毛模式的机制解析

《Scientific Reports》：Exposome variations affect Drosophila bristle patterning via the regulation of proneural genes through distinct mechanisms

本研究针对发育稳健性如何响应环境变化这一核心问题，以果蝇背中刚毛（DC）为模型，揭示了污染物甲氨蝶呤（MTX）与低温通过截然不同的分子通路调控achaete-scute（ac-sc）原神经基因表达，进而诱导异位刚毛形成的机制。研究人员发现MTX通过扩大DC增强子活性区域发挥作用，而低温则独立于该增强子，通过干扰ac-sc基础表达抑制因子（如hairy、poils au dos）实现表型调控。该工作为理解环境因素（暴露组）如何突破发育稳健性、驱动表型可塑性提供了分子层面的新见解，对评估污染物生态风险及进化发育生物学研究具有重要意义。

　　

在生命科学发展历程中，发育稳健性（developmental robustness）始终是核心议题之一。生物体如何在遗传变异、环境波动及分子随机性共存的情况下，仍能产生高度稳定的表型？这一特性不仅保障了物种生存，也为演化提供了潜在素材。然而，在人类活动导致全球气候变化与污染物扩散的背景下，环境暴露组（exposome）——即生物体生命周期中接触的全部环境因素总和——如何挑战发育稳健性，已成为亟待阐明的科学问题。果蝇（Drosophila）的背中刚毛（dorsocentral bristles, DC）因其模式稳定、发育机制清晰，成为研究这一问题的理想模型。正常情况下，野生型果蝇胸背部具有两对DC刚毛，该模式在数千万年的演化中高度保守，但其稳健性在特定环境压力下可能被打破，甚至成为形态创新的起点。

为探究环境因素如何影响发育稳健性，Valérie Ribeiro等研究人员在《Scientific Reports》上发表了题为“Exposome variations affect Drosophila bristle patterning via the regulation of proneural genes through distinct mechanisms”的论文。他们聚焦于两种典型环境因子——低温（18°C）和药物污染物甲氨蝶呤（methotrexate, MTX），系统解析了二者诱导异位DC刚毛形成的分子通路。研究通过遗传学、表型统计和免疫染色等技术，发现MTX与低温虽均通过调控原神经基因achaete-scute（ac-sc）表达增加刚毛数量，但作用机制截然不同：MTX依赖DC增强子（DC enhancer）扩大其活性区域，而低温则通过干扰ac-sc基础表达的抑制因子实现调控。

研究主要采用以下关键技术方法：

1. 1.
   果蝇遗传杂交与表型分析：利用缺失DC增强子的Df(1)91B品系、调控因子突变体（如pnr^D1、ush¹、Chip^E、hry¹、pad¹）及Notch信号通路突变体（N^55e11、N^4x16），在不同温度（18°C vs 25°C）和MTX浓度（5 μM）下培养果蝇，统计DC刚毛数量并分析基因-环境互作。
2. 2.
   免疫组织化学：采用DC增强子报告基因品系（DC-LacZ）与神经化启动子驱动组蛋白H2B-RFP（pneurD::H2B-RFP）标记刚毛前体细胞，通过抗β-半乳糖苷酶和抗RFP抗体染色，可视化增强子活性区域与细胞分化状态。
3. 3.
   统计验证：使用Wilcoxon秩和检验比较组间差异，通过对齐秩转换数据方差分析（ANOVA of Aligned Rank Transformed Data）检验基因与环境互作显著性，以Levene检验评估表型方差变化。

低温和甲氨蝶呤诱导异位DC刚毛

在标准条件（25°C）下，野生型果蝇（w¹¹¹⁸）平均具有4.02±0.14根DC刚毛。低温（18°C）使刚毛数显著增至4.3±0.46根，且异位刚毛多出现于前对DC刚毛前方；而5 μM MTX处理则引发更强烈的表型响应，刚毛数达8.66±1.53根，异位刚毛分布于前后DC刚毛周围，并伴随其他胸刚毛（如前小盾片刚毛）重复发生。两种处理均显著增加刚毛数方差，表明发育稳健性被破坏。

DC增强子缺失阻止MTX效应但不影响低温诱导作用

通过缺失DC增强子的Df(1)91B品系实验发现，MTX处理无法在该背景下诱导异位刚毛（刚毛数0.08±0.27 vs 0.04±0.20），而低温仍可促使多数个体形成约2根刚毛（1.98±0.32根）。证明MTX作用依赖DC增强子，低温则通过独立于该增强子的通路调控刚毛模式。

DC增强子调控因子与MTX存在基因-环境互作

实验显示，增强DC增强子活性的突变（如pnr^D1/+或ush¹/+）与MTX协同作用，显著增加刚毛数（pnr^D1/+：18.16±3.44根；ush¹/+：13.34±3.32根）；而抑制增强子功能的Chip^E突变则削弱MTX效应（刚毛数6.22±2.20根）。方差分析证实这些互作具有显著性，提示MTX通过调制DC增强子活性影响刚毛发育。

MTX扩大DC增强子活性区域

通过DC-LacZ报告基因与刚毛前体标记（pneurD::H2B-RFP）的共染色发现，MTX处理使DC增强子活性区域相对面积增加3倍（0.12±0.04 vs 0.04±0.01），且活性强度更异质化。该区域向小盾片刚毛方向扩展，并包含更多刚毛前体细胞（5.3±2.7个 vs 1.6±0.5个），直接证实MTX通过空间扩展增强子活性促进异位刚毛形成。

Notch信号通路在MTX效应中作用有限

尽管脊椎动物研究中提示MTX可能抑制Notch（N）信号，但果蝇实验未观察到N功能缺失突变（N^55e11/+）与MTX的显著协同效应。而N功能获得突变（N^4x16）虽抑制MTX诱导的刚毛增加，但此结果更可能源于侧抑制（lateral inhibition）增强对MTX扩展的增强子活性的正常限制，而非MTX直接调控Notch通路。

低温与ac-sc基础表达抑制因子存在互作

在Df(1)91B背景下，低温与hry¹或pad¹突变均显示显著互作。低温使hry¹突变体刚毛数在25°C时增加（1.96±0.20根），但在18°C时无进一步提升，表明hry是温度调控的关键介质；pad¹突变则增强低温效应，提示低温通过干扰ac-sc基础表达抑制网络（如Hry直接转录抑制与Pad间接调控）诱导异位刚毛。

本研究通过精细的遗传学与细胞生物学实验，揭示了环境暴露组调控发育稳健性的双路径模型：MTX作为污染物通过放大DC增强子活性空间促发异位刚毛，而低温作为物理胁迫则通过干扰ac-sc基础表达抑制因子（如Hry、Pad）实现表型突破。这一发现不仅深化了对环境因素驱动表型可塑性的理解，也为“可塑性优先演化”（Plasticity-first evolution）理论提供了分子证据——环境变化可通过激活特定调控通路暴露隐藏遗传变异，为自然选择提供素材。此外，研究提示MTX在环境中即使低浓度也可能干扰野生动物发育，对生态风险评估具有警示意义。未来工作需进一步解析温度感知如何与转录抑制网络耦合，以及MTX调控增强子空间活性的直接靶点，从而完整揭示暴露组与基因组互作的发育生物学基础。