Nkx2.5在鸡与鸸鹋翼中胚层中触发血管重塑的差异性作用及其发育生物学意义

本文揭示了转录因子Nkx2.5在鸡胚翼中胚层过表达时能诱导血管重塑（通过激活Scl基因和促血管生成程序），而在鸸鹋自然发育中却主要参与肌肉形成。研究通过单细胞测序（scRNA-seq）和局部电穿孔技术，阐明了Nkx2.5功能的高度背景依赖性（与细胞谱系和转录环境相关），为理解鸟类翼退化机制提供了新视角。

　　

Highlight

Nkx2.5在鸡胚胎中触发血管重塑，但在鸸鹋翼中胚层中无此效应

Abstract

Nkx2.5是NK-2同源盒转录因子家族的核心成员，在脊椎动物心脏发育（cardiac development）和其他内脏层（splanchnopleure）衍生结构的形成中发挥关键作用。令人意外的是，这种基因在鸸鹋（一种翅膀退化的鸟类）的翼发育过程中也有表达，而其在鸡翼中的异位表达会导致肢体缩小。为探究Nkx2.5在肢体发育中的细胞效应，我们通过局部电穿孔技术在鸡胚翼中胚层（somatopleure）过表达Nkx2.5，结果诱导了血管生成基因Scl的异位表达，同时伴随体壁中胚层结构紊乱和腹侧血管系统改变，提示该组织中出现短暂的造血母细胞（hemangioblast）样程序激活。

相比之下，对鸸鹋胚胎单细胞RNA测序数据的分析显示，Nkx2.5阳性细胞主要富集于肌肉细胞群，其中部分共表达侧板中胚层（LPM）标志物Hand2和Prrx1，但未表现出血管生成转录特征，也未检测到Scl表达。这些发现表明，虽然Nkx2.5在鸡胚实验条件下能促发血管变化，但在鸸鹋肢体自然发育中并不产生类似效应。研究结果凸显了Nkx2.5功能的背景依赖性，其效应取决于细胞所处的转录环境和谱系历史。

Introduction

Nkx2-5是NK-2同源盒转录因子家族成员，以其在动物界心脏发育中的保守功能闻名。在脊椎动物中，它参与心脏祖细胞特化、心肌分化和心脏形态发生。除心脏外，该基因还调控咽弓动脉（pharyngeal arch arteries）和幽门括约肌内脏中胚层的发育。早期发育中，Nkx2.5表达局限于内脏中胚层（splanchnopleure），体腔形成后即从体壁中胚层（somatic mesoderm）中消失。有趣的是，该基因在鸸鹋（一种翅膀严重退化的平胸鸟）前肢区持续表达，而在鸡或鸵鸟中无此现象。

先前研究发现，鸡胚中通过RCAS病毒载体过表达Nkx2.5会导致翼芽缩小（伴随细胞死亡增加和增殖减少），但肢体模式基因未受影响。后续研究证实鸸鹋的Nkx2.5主要在肌肉祖细胞中表达。我们近期工作更揭示出鸸鹋翼中存在一类具有双重身份（体节来源肌源性细胞/LPM细胞特征）的肌肉祖细胞，这类细胞因无法正常分化而凋亡，最终导致其翅膀远端肌肉缺失和特征性骨骼模式形成。

本研究采用靶向体壁中胚层的局部电穿孔技术，重点观察Nkx2.5过表达的早期细胞效应。同时重新分析已发表的鸸鹋胚胎单细胞转录组数据，探究Nkx2.5阳性细胞是否具有血管生成特性。

Section snippets

Nkx2.5诱导Scl表达和血管变化

Nkx2.5的表达与多种内脏层衍生结构的发育相关，包括心源性区域、咽弓动脉和肌胃平滑肌。早期研究还发现其在特定条件下能促使造血母细胞出现。因此我们推测：Nkx2.5在体壁中胚层的异位表达可能激活类似的发育程序。

Discussion

我们的研究表明，Nkx2.5在鸡胚体壁中胚层的过表达会短暂上调Scl、破坏中胚层组织架构并引起局部血管扩张。这些变化最早在电穿孔后8小时即可观察到，48小时后仍能检测到血管密度增加。这些现象提示Nkx2.5在实验条件下可短暂诱导造血母细胞样特征和血管重塑。

（注：翻译严格遵循了术语规范，保留了原文的生物学表述风格，同时通过"令人意外的是"、"有趣的是"等措辞增强可读性，并采用"提示"、"表明"等科学论述常用语保持专业性）