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在心脏和颅面组织发育关联研究中，为明确 NK4 因子在头颈部模式形成中的作用，研究人员以斑马鱼为模型研究 Nkx2.7。结果发现其是颅面发育关键调节因子，这一成果有助于理解先天性头颈畸形。
在生命的奇妙旅程中，胚胎发育是一场神秘而有序的交响乐，每一个音符都至关重要。心脏和颅面组织的发育更是紧密相连，如同共生的伙伴，牵一发而动全身。许多患有先天性心脏疾病的患者，常常也伴随着颅面畸形，这背后隐藏着怎样的秘密呢？原来，在胚胎发育过程中，心脏和颅面组织有着共同的细胞起源，它们的发育受到一系列复杂基因网络的调控。然而，尽管科学家们一直在努力探索，但其中仍有许多谜团尚未解开，比如 NK4 家族转录因子在头颈部模式形成中究竟扮演着怎样的角色，这一直是发育生物学领域的一个未解之谜。
为了揭开这个神秘的面纱，来自哥伦比亚大学（Columbia University）等机构的研究人员踏上了探索之旅。他们将目光聚焦在斑马鱼身上，开展了一系列深入的研究。最终，他们发现了一个令人惊喜的关键角色 ——Nkx2.7，它是脊椎动物颅面发育中不可或缺的调节因子。这一重大发现发表在《Nature Communications》上，为我们理解先天性头颈部畸形的发病机制带来了新的曙光。
研究人员在此次研究中主要运用了以下几种关键技术方法：
- 基因编辑技术：利用已有的斑马鱼突变体和转基因品系，如nkx2.7、nkx2.5、tbx1等突变体，以及Tg(tcf21:nucGFP)、Tg(sox17:GFP)等转基因品系，来研究基因功能。
- 分子生物学技术：通过原位杂交（ISH）、杂交链式反应（HCR）检测基因表达；运用单细胞 RNA 测序（scRNA-seq）分析不同细胞类型的基因表达谱，探索 Nkx2.7 下游的调控靶点1820。
- 染色技术：采用阿尔 cian Blue/Alizarin Red 染色观察胚胎面部骨骼发育情况，免疫荧光染色检测蛋白质表达和细胞增殖情况19。
- 抑制剂处理实验：使用 γ- 分泌酶抑制剂二苯并氮杂卓（DBZ）处理胚胎，探究 Notch 信号通路在颅面发育中的作用。
下面让我们一起来看看研究人员的具体发现：
- NK4 基因家族的进化：通过对脊椎动物和无脊椎动物基因组的微共线性分析和系统发育重建，研究人员发现nkx2.3、nkx2.6/7、nkx2.5和nkx2.5l基因是通过两轮脊椎动物全基因组复制（WGD）事件从祖先 NK4 基因演化而来的同源基因。nkx2.7与脊椎动物Nkx2.6具有保守的共线性，且在进化过程中，不同基因的功能出现了分化12。
- nkx2.7 对颌骨发育至关重要：nkx2.7在咽弓（PA）形成过程中，于侧板中胚层（LPM）、心脏圆锥和 PA 原基等部位表达。研究人员构建了nkx2.7基因敲除模型，发现纯合缺失的胚胎表现出明显的颌骨缺陷，如下颌后缩，且幼虫在受精后 14 天内死亡。这表明nkx2.7在引导颅面发育中起着重要作用34。
- 鳃弓肌肉形态发生需要 Nkx2.7：nkx2.7在咽弓表达，研究人员利用 MF20 抗体和 Elastin b（Elnb）染色发现，nkx2.7突变体胚胎的鳃弓肌肉数量和模式存在严重缺陷，而nkx2.5突变体胚胎则无明显差异。进一步研究发现，nkx2.7和nkx2.5在 PA2 来源的鳃弓肌肉形成中存在部分功能冗余，但nkx2.7在 PA1 中胚层衍生物的形成中具有独特作用56。
- Nkx2.7 调节鳃弓肌肉祖细胞增殖：研究人员发现，nkx2.7在建立咀嚼肌的过程中位于tbx1下游，对激活 PA1 和 PA2 衍生物的肌发生起着关键作用。通过对Tg(tcf21:nucGFP)转基因斑马鱼的研究，发现nkx2.7突变体胚胎在 21 体节期时，鳃弓肌肉祖细胞数量减少，增殖出现缺陷，但祖细胞的特化过程正常78。
- Nkx2.7 对颅面软骨发育不可或缺：通过对 PA1 和 PA2 来源的软骨进行研究，发现nkx2.7突变体胚胎的软骨结构异常，如 Meckel 软骨（M）、腭方软骨（Pq）和角舌软骨（Ch）长度显著缩短，M-Pq 角度增大。此外，nkx2.7突变体胚胎还出现异位软骨结节，这与Edn1信号通路的变化有关。在nkx2.7；nkx2.5双突变体胚胎中，软骨缺陷更为严重910。
- Nkx2.7 对下颌和舌颌关节形态发生至关重要：研究人员发现，nkx2.7突变体胚胎的下颌和舌颌关节存在缺陷，如 PA1 的铰链关节融合，PA2 关节宽度增加。这表明nkx2.7在建立下颌和舌颌弓的腹侧和中间神经嵴细胞群体，确保下颌正常软骨形成、骨成熟和关节特化方面具有重要作用1112。
- nkx2.7 胚胎中颅神经嵴形成受损：nkx2.7在咽内胚层表达，研究人员通过对Tg(sox10:DsRed)；Tg(tcf21:nucGFP)双转基因斑马鱼的研究，发现nkx2.7突变体胚胎在 36hpf 时，前两个咽弓的腹侧神经嵴细胞区域缺失，且这种缺陷早于 72hpf 时观察到的颌骨软骨发育异常313。
- nkx2.7 胚胎中腹侧神经嵴命运受抑制：单细胞 RNA 测序（scRNA-seq）结果显示，nkx2.7突变体胚胎中，颅神经嵴细胞的背侧基因表达上调，腹侧基因表达下调，这表明nkx2.7在维持 PA1 和 PA2 腹侧模式形成程序中具有重要作用。研究人员通过原位杂交实验验证了edn1、barx1等基因在nkx2.7突变体胚胎中的表达变化，进一步证实了这一结论1415。
- Nkx2.7 抑制 Notch 信号通路以调控颅面软骨模式形成：研究人员发现，nkx2.7在调节Edn1信号通路中起着重要作用，nkx2.7突变体胚胎中Edn1信号减少，导致 Notch 信号通路激活，进而影响颅面软骨的发育。通过使用 DBZ 抑制 Notch 信号通路，研究人员发现可以部分挽救nkx2.7突变体胚胎的软骨缺陷和完全挽救下颌关节缺陷1617。
综合以上研究结果，研究人员得出结论：Nkx2.7 是脊椎动物颌骨和颌关节形态发生中不可或缺的转录因子，它在鳃弓肌肉和软骨发育中发挥着关键作用。通过促进 tcf21:nucGFP + 鳃弓肌肉祖细胞的增殖，调节前咽弓颅神经嵴细胞的背腹模式形成，Nkx2.7 确保了正常的颅面发育。这一发现不仅揭示了 Nkx2.7 在脊椎动物颅面发育中的重要功能，也为我们理解先天性头颈部畸形的发病机制提供了新的视角。未来，研究人员可以进一步探索 Nkx2.7 在哺乳动物中的功能，以及其在治疗先天性颅面畸形方面的潜在应用价值。这一研究成果为发育生物学和医学领域开辟了新的研究方向，有望为相关疾病的诊断和治疗带来新的突破。
