BioArt按：6月24日，BioArt推出“国科大论坛”专栏，旨在鼓励中国科学院大学（UCAS）生命学院的优秀本科生接触学术最前沿，激发他们对生命科学某些领域深层次的理解，同时也锻炼他们对科学报道的写作能力。今日BioArt推出第十三篇系列文章，这篇文章解读的是近日来自UCSF的科学家发表在Developmental Biology杂志上的研究论文，揭示了miR - 205在早期的泪腺发育阶段中的作用。
撰文丨李永明（中国科学院大学2014级本科生）
摘要：泪膜保护了陆生动物的眼睛表面，泪腺为泪膜的维持提供必要的水性分泌物。尽管泪腺对维持眼睛健康极其重要，但人们对其发育层面的分子机制仍然知之甚少。来自加利福尼亚大学D’Juan T. Farmer等人在7月1日的Development Biology杂志上发表一篇文章，题为miR-205 is a critical regulator of lacrimal gland development，探究了一种非编码RNA(miR - 205)在泪腺发育中的作用。研究表明miR - 205在早期的泪腺发育阶段起着至关重要的作用，缺乏miR - 205的小鼠未能正常地发育出泪腺，其中，超过半数的泪腺没有形成。RNA - seq分析表明敲除miR - 205的小鼠外胚层表面有多个靶基因表达上调。研究人根据实验结果提出了调控模型，模型中miR - 205调节与Fgf10有关的信号通道，从而影响泪腺发育。
背景介绍
泪腺为泪膜提供水层，保护眼睛不干燥。当泪腺机能失调时，干眼症就会出现，这是困扰数百万人的一种疾病【1】。尽管这种情况普遍存在，但是许多控制泪腺发育的基本机制和途径仍不得而知。小鼠泪腺发育始于胚胎期（E）第13.5天，初芽从外胚层表面内陷，向眶周间质生长，初芽进入间质后，产生大量分支，形成内外泪腺【2，3】。有几种蛋白编码基因与泪腺的早期发育过程有关，包括纤维母细胞生长因子(FGF)信号通道的成员，其中FGF10由眼周间质分泌，在外胚层表面与受体FGFR2IIIb结合，诱导泪腺萌发。
microRNAs可调控分支化形态发生，在器官发育中起重要作用。然而，大部分对microRNA进行的研究是在体外进行的，只提供了一个关于microRNA如何控制分支形态发生的概况。为了全面了解microRNA对分支形态形成的贡献，体内实验十分必要。此外，microRNA与形态发生梯度是否结合、如何结合并去调控发育过程仍是悬而未决的问题。在本文中，作者揭示了miR - 205在胚胎期泪腺发育的重要作用。结果表明，miR - 205可以抑制多个靶基因，进而可能干扰一些信号通道，如Fgf10，来确保泪腺正常发育。
实验结果
为了探究miR - 205在眼部发育中的作用，研究人员将敲除了miR - 205的小鼠作为实验组，野生型和杂合子小鼠作为对照组，对比两组小鼠发育情况。组织学上的分析表明，mirR-205在角膜上皮或睑腺发育中似乎作用不大，详细的区别有必要通过进一步分析得到。为了评估泪腺的功能，研究人员分析了两组小鼠的眼泪数据。经过皮卡鲁品刺激后，实验组小鼠酚红棉线浸湿尺寸（1mm）明显少于实验组小鼠（6mm），实验组泪腺功能紊乱。进一步分析发现，miR - 205-/-组大部分小鼠眼部未发现泪腺，少部分小鼠有泪腺，但是比对照组小，如下图。
图1 实验组和对照组小鼠泪液分析盒图与泪腺发育情况
泪腺在胚胎时期的发育可分为三个阶段：泪腺的萌发、初芽的伸长、持续周期性支化。研究人员分析了不同发育时期小鼠外胚层表面（可产生泪腺）的miR - 205表达量，发现在泪腺萌发后直至外胚层发育的各个时期，泪腺的上皮组织中一直存在着miR - 205。但在小鼠出生后，miR - 205的表达量减少，并且只分布在导管和腺泡细胞附近。以上结果表明，miR - 205应在泪腺的早期发育过程起着重要的作用。对于敲除miR - 205后那些较小的泪腺，其仍能进行后续的支化发育，并且在出生时形成高度复杂的腺体。用增殖细胞核抗原Ki-67标记增值细胞，进行荧光免疫检验后发现，miR - 205-/-组小鼠的泪腺在E15.5和P0时期都保持着分化能力，分化速度与正常泪腺相比也没有大的差异。其他一些实验也证明了同样的结果。
图2 miR - 205-/-组小鼠和对照组泪腺分化能力的比较
以往研究表明，Fgf10信号通道可以控制泪腺的萌发【2-7】。研究人员推测在E12.5时期miR - 205可以干扰Fgf10信号通道，通过对miR - 205-/-组小鼠和野生型小鼠该时期的外胚层表面进行RNA序列分析，发现miR - 205-/-组有95个基因表达量显著上调，其中有19个可能是miR - 205的靶基因，后续3’-UTP实验验证了这一点。进一步分析表明miR - 205可能是同时调控多个靶基因来控制泪腺的萌发和发育。结合前人实验结果，研究人员最终建立了如下图3的调节模型。在野生型小鼠胚胎期，miR - 205抑制多个靶基因的表达，使这些靶基因不干扰Fgf1-信号通道，从而确保泪腺的正常萌发和发育。
图3 miR - 205调节Fgf10信号通道
总结评价
以往作者实验室主要研究了miR - 205在小鼠出生后的调节作用，这本文中，作者研究了miR - 205在胚胎时期对泪腺发育的调控作用，这也是在泪腺发育中发现的第一个有重要作用的非编码基因。
泪腺萌发的阶段应是非常敏感的发育时期，容易受到分子噪声干扰。缺少miR - 205后，许多miR - 205的靶基因被解除抑制，进而干扰到Fgf10信号通道，影响泪腺的发育，导致大部分小鼠泪腺不能萌发，即使萌发后也比正常小鼠泪腺要小。至于调控过程具体的分子机制，以及是否存在其他可能存在的调节通道，现在还不得而知。
参考文献
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2. Govindarajan, V., Ito,M., Makarenkova, H.P., Lang, R.A., Overbeek, P.A., 2000. Endogenous and ectopic gland induction by FGF-10. Dev. Biol. 225, 188-200.
3. Makarenkova, H.P., Ito, M., Govindarajan, V., Faber, S.C., Sun, L., McMahon, G., Overbeek,P.A., Lang, R.A., 2000. FGF10 is an inducer and Pax6 a competence factor for lacrimal gland development. Development 127, 2563-2572.
4. Ashery-Padan, R., Marquardt, T., Zhou, X., Gruss, P., 2000. Pax6 activity in the lens primordium is required for lens formation and for correct placement of a single retina in the eye. Genes Dev. 14, 2701-2711.
5. Pan, Y., Carbe, C., Powers, A., Zhang, E.E., Esko, J.D., Grobe, K., Feng, G.-S., Zhang, X., 2008. Bud specific N-sulfation of heparan sulfate regulates Shp2-dependent FGF signaling during lacrimal gland induction. Develipment 135, 301-310.
6. Pan, Y., Carbe, C., Powers, A., Zhang, X., 2010. Sprouty2-modulated Kras signaling rescues Shp2 deficiency during lens and lacrimal gland development. Development 137, 1085-1093.
7. Xu, X., Deleu, S., De Smedt, F., Drayer, L., Erneux, C., 1997. Identification of a second SH2-domain-containing protein closely related to the phosphatidylinositol polyphosphate 5-phosphatase SHIP. Biochem. Biophys. Res. Commum. 239, 697-700.
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