基底膜穿孔引导哺乳动物胚胎前后轴形成——基质金属蛋白酶介导的机械异质性调控机制

本研究揭示了基底膜(BM)穿孔在哺乳动物胚胎前后轴(AP)形成中的关键作用。研究人员通过靶向扰动、光片显微镜和组织制图技术，发现胚外组织中的基质金属蛋白酶(MMPs)在植入过程中产生不对称的基底膜穿孔，为远端内脏内胚层(DVE)的定向迁移提供机械引导。该研究不仅阐明了基底膜机械异质性调控组织迁移的新机制，还在人类胚胎和干细胞模型中验证了这一保守机制，为理解哺乳动物发育早期的形态发生事件提供了重要见解。

　　

在哺乳动物胚胎发育过程中，前后轴(AP)的形成是一个关键的对称性打破事件。这一过程在小鼠中表现为远端内脏内胚层(DVE)细胞的定向迁移，它们最终形成前内脏内胚层(AVE)，通过分泌Nodal和Wnt拮抗剂建立信号梯度，从而限制原始条纹在后侧外胚层的形成。然而，长期以来困扰发育生物学家的核心问题是：DVE细胞如何获得其迁移的方向性？是什么机制确保这些细胞能够协调一致地向特定方向移动？

加州理工学院(California Institute of Technology)的研究团队在《Nature Communications》发表的研究，通过创新的实验设计和多学科交叉方法，揭示了基底膜(BM)穿孔在这一过程中的关键作用。研究人员发现，植入过程中胚外组织中的基质金属蛋白酶(MMPs)会产生不对称的基底膜穿孔，这些穿孔不仅为DVE迁移提供机械引导，还通过调节组织力学特性影响整个胚胎的形态发生。这一发现不仅解答了发育生物学领域长期存在的难题，还为理解人类早期胚胎发育提供了重要线索。

研究团队采用了多项关键技术：1)使用Cerl-GFP转基因小鼠进行活体成像追踪DVE迁移；2)通过胶原酶处理和MMP抑制剂(Batimastat)进行靶向扰动；3)结合空气扫描2(Airyscan2)超分辨率显微镜和组织制图软件(ImSAnE)进行三维定量分析；4)应用单细胞RNA测序(scRNA-seq)分析基因表达动态；5)在人类胚胎和人类扩展潜能干细胞(hEPSCs)模型中进行验证。人类胚胎样本来源于IVF治疗后的捐赠胚胎，经过严格的伦理审查。

基底膜是外胚层发育的关键调控者
研究首先通过靶向扰动实验证明，基底膜的完整性对DVE迁移至关重要。当使用胶原酶全局去除基底膜后，DVE细胞的迁移速度加快但失去协调性；相反，当用MMP抑制剂减少基底膜穿孔时，DVE迁移速度减慢且方向紊乱。这些结果表明基底膜穿孔不仅影响迁移速度，还调控着迁移的方向性和细胞间的协调性。

基底膜穿孔引导DVE迁移
通过先进的成像技术和组织制图分析，研究人员发现基底膜穿孔在E5.0时期就已呈现不对称分布，远早于DVE迁移的开始(E5.5)。这些穿孔在未来的迁移路径上更为密集，特别是在DVE细胞即将迁移的区域。引人注目的是，通过局部表达膜型基质金属蛋白酶(hMT1-MMP)或使用胶原酶浸泡的琼脂糖珠进行局部基底膜降解，可以人为引导DVE细胞的迁移方向，证实了基底膜穿孔的指导作用。

MMP表达与机械异质性
单细胞RNA测序揭示了MMP15在原始内胚层(PE)和内脏内胚层(VE)中的动态表达模式。原位杂交显示，MMP15从E4.75开始就在VE的一侧呈现不对称表达，这与基底膜穿孔的不对称分布高度一致。当用低剂量Batimastat抑制MMP活性后，DVE细胞失去集体迁移能力，表现为分散的个体迁移模式，说明持续的MMP依赖性基底膜重塑对维持迁移至关重要。

组织力学特性的空间差异
通过三维形态计量学分析，研究人员发现内脏内胚层(VE)的细胞形状指数(反映组织可变形性)在不同区域存在显著差异。未来的迁移路径上的VE细胞表现出更高的形状指数，表明这些区域组织更易变形。这种力学异质性在E5.0-E5.25时期就已出现，且依赖于基底膜的不对称穿孔。物理模型进一步预测，基底膜穿孔通过调节DVE细胞的主动力产生来引导迁移，而不仅仅是提供被动阻力。

人类胚胎中的保守机制
在人类胚胎研究中，研究人员发现基底膜在7-9天培养胚胎中同样呈现穿孔结构，且这些穿孔在前侧下胚层附近更为密集。人类胚胎模型(hEPSCs衍生的类胚胎结构)也重现了类似的基底膜组织模式，表明这一机制可能在人类早期发育中同样发挥作用。

这项研究从根本上改变了我们对哺乳动物前后轴形成的理解，首次揭示了基底膜机械异质性在这一过程中的核心作用。研究发现，胚外组织通过MMPs产生不对称的基底膜穿孔，这些穿孔不仅为DVE迁移提供方向性指引，还通过调节组织力学特性影响整个胚胎的形态发生。这一机制在人类胚胎和干细胞模型中得到验证，显示了其在哺乳动物发育中的保守性。该研究不仅解决了发育生物学领域关于AP轴形成机制的长