左右不对称性的建立

左右不对称性的建立

什么是左右不对称？

尽管脊椎动物看起来时左右对称的，但其机体内部左右两边器官结构和分布其实有所差异：心脏、脾脏和胰脏分布在左侧，而胆囊和大部分肝脏分布在右侧。这种不对称性在胚胎发育时期通过复杂的外在和内在的机制建立。

左右不对称是如何产生的？

1）首先，一个起始事件使胚胎左右对称打破，可能是通过已经建立的D-V 和A-P轴线上产生的物质转换为LR信息

在小鼠上，这一起始事件被认为是结流：左右极性的打破利用了已存在的定位信息——AP、DV轴线。结流的方向由已存在的前后、背腹轴线确定，并由同向的纤毛旋转引发。前后轴线影响纤毛的倾斜，背腹轴线则表现为腹部突出。大多数纤毛从节点坑细胞（node pit cell）后部突出，纤毛的基体也定位在细胞后部。

也就是说：背腹轴线、前后轴线、纤毛单向旋转导致了左右不对称2）一侧性信息被转移到胚胎节点或其类似物

3）左右不对称性在节点附近建立

一个重要的信号是Nodal信号，一种机制如下：

左侧决定因子Nodal可以诱导自身表达，它的下游因子Lefty又可以作为它的抑制因子。抑制因子比激活因子扩散得更快。Nodal在结流的作用下左侧表达多于右侧表达，它在促进自身表达的同时促进左右及中间Lefty的表达，中线Lefty的抑制作用没有左侧Nodal自身诱导作用强烈因此左侧一直保有Nodal信号并诱导Lefty产生，中线Lefty抑制作用比右侧Nodal自身诱导强烈所以右侧Nodal 信号减弱至消失，所以右侧既无Nodal也无Lefty信号。

左侧Nodal诱导自身及Lefty表达，左侧和中线Lefty抑制右侧Nodal表达。

左侧Lefty抑制Nodal的自我诱导而导致其短暂性。

值得注意的是，这种机制中的中线不再是阻隔作用，而是传导Nodal抑制因子。同时，旋转纤毛引发的结流的作用也减弱了，它只是提供一个很微弱的Nodal差异，然后Nodal差异通过反应-扩散导致不对称分布，也就是说，两者结合成一种机制。

4）左右不对称性从节点扩展到左侧侧板中胚层LPM

Nodal 信号可能通过接力途经或直接传递从节点传递至LPM，其他因子如GDF1也可能参与对不对称性的确定。

接力传播的证据：Nodal在其在侧板中胚层表达前在原条两侧表达，原条外周区域Nodal表达的特异性消失阻止了Nodal在做左侧侧板外胚层的表达；在Nodal在左侧侧板外胚层表达前，它的抑制因子Cerl2就已经在原条周边表达并左侧少于右侧。直线传播的证据：侧板中胚层的Nodal表达可以诱导自身表达；研究发现两种增强子和Nodal的不对称分布有关，都能控制左侧LPM的基因表达。

5）侧边特异性基因表达在左右侧板中胚层建立并稳定

6）左右信息传递给器官原基，激发左右不对称的器官形成

包括三种机制：直接成环，如心脏、内脏；先形成两侧对称的原始器官，然后再发生大小或分支的差异，如肺；对称结构的一侧退化消失，如血管

一个重要的概念：结流

通常认为，在小鼠体内，左右不对称性是通过结流打破的，什么是结流呢？

结流，即nodal flow，节点腹侧细胞伸入节点腔的200到300条9+0单纤毛以600rpm的速度绕和垂线向后成40°±10°的中轴顺时针旋转，引起胚胎外表面节点腔内向左的15到20微米每秒的液体流，成为结流。结流的方向由已存在的前后、背腹轴线确定，并由同向的纤毛旋转引发，前后轴线影响纤毛的倾斜，背腹轴线则表现为纤毛在腹部突出。大多数纤毛从节点坑细胞（node pit cell）后部突出，纤毛的基体也定位在细胞后部。

结流的方向的决定：节点中的单纤毛顺时针旋转，旋转轴和垂直线向后成40°±10°，于是，它在远离表面方朝左摆，靠近表面方朝右摆，根据流体力学，静止表面靠抗剪作用妨碍液体流动，所以，向右的摇摆没有向左的摇摆有效。低等脊椎动物如两栖动物和鱼类的体轴比哺乳动物更早确立，所以，鱼类的左右不对称在原肠作用前建立，和H+/K+-ATPase相关，但是，KV里的左侧流就算左右不对称被打破了依然正常，说明nodal flow是自发的不依赖更早的左右不对称的建立。

打破左右对称的机制假说

目前，打破左右不对称的机制假说主要有以下两种：

（1）存在一种打破对称性的机制对于所有脊椎动物适用，结流只是它的下游放大阶段。

（2）结流在小鼠胚胎中提供打破最初对称性的信息，但它只是啮齿动物（或者，哺乳动物）进化的产物，它比那些原始机制高级。

这一假说包括两种模型：

i.化学浓度梯度模型

ii.物理刺激模型，即两种纤毛模型（two-cilia hypothesis）

化学浓度梯度模型

结流运输决定因子。结流使腹侧节点腔内产生化学浓度梯度，导致化学形态素在左侧积累并被细胞感知。这种决定因子在节点内或其附近的表达导致了Nodal的左右不对称性。

一个重要证据来自NVP, NVP是被转运到右侧的膜包围的颗粒，NVP形成后被结流甩到左侧并破裂，释放出的物质被左侧细胞吸收，产生化学浓度梯度。 NVP 释放被如FGF,SHH-N，RA等形态素调控，并带有提高钙离子浓度的信号。钙离子作为NVP的下游信号，也许随NVP共同运输，或被另一种机制调控而在左侧释放。NVP可引发非经典hedgehog信号通路。

具体指目前研究表明，shh不对称表达并对左右不对称决定起重要作用，但仅限于鸟类；RA对左右不对称性没有明显作用；Fgf8貌似对左侧决定起重要作用，它对NVP产生有一定作用。

物理刺激模型

结流产生物理压力。液压和很多因素有关，如流速和液体粘度。结流的雷诺数仅为5*10–4左右，也就是说，它的剪应力几乎无法被细胞感应到。但是，它可以被纤毛的弯曲放大，然后再由感觉纤毛内的信号通路放大。

物理刺激模型又称两种纤毛模型，因为它涉及到两种纤毛的存在：运动纤毛含Lrd动力蛋白，通过旋转产生结流；静止纤毛缺乏Lrd，表达聚胱氨酸-2，可感知机械力，感受结流后产生左侧钙离子信号，钙离子信号引发下游通路。

钙离子在结流下的左右不对称性——包括左侧节点边缘检测到不对称钙离子信号，钙离子浓度的不对称提高和它的侧向传递，公认存在和左右不对称性相关的钙离子通道——支持这一假说。但同时应该注意到的是，钙离子浓度提高可以由FGF/SHH/RA 系统调节

二者的联系

目前，有各种证据的出现，支持不同的模型：如不动的纤毛导致不对称破坏可能支持物理感受模型，iv突变小鼠表现出Nodal在侧板中胚层随机分布，但是这种Nodal表达也可能只是由于中线损伤。没有明确的证据支持一个模型同时否定另一个模型。

总的看来，化学刺激模型和物理刺激模型依赖于结流的起始作用，都需要信号传递和放大。

左右不对称性形成的物种差异

不同物种左右不对称性形成不同，如下：

1)胎生动物：通过结流打破左右对称，受精卵植入前额信息对后来不对称性

影响小

人类：PCD和动力蛋白参与，纤毛参与

小鼠：KIF3A/B, LRD参与，Pkd-2参与，节点左侧胞内钙离子在头部折叠后期升高，节点有运动纤毛，出现结流

2)两栖动物和禽类：受精卵早期卵裂时已经确定了左右不对称性

鸡：亨氏结在神经胚之前形态上已经倾斜，在腹部中线有单纤毛细胞出现前已经确定了左右不对称性。

H+/K+-ATPase ，H+/V-ATPase symmetric，Pkd-2参与；明区细胞在4到5期胞内pH身高，3到4期右侧节点去极化；4到6期节点左侧

胞内钙离子浓度升高；亨氏结里有纤毛

蛙：左右轴线在发育中很早确立，并与背腹轴线确立有关，在早期胚胎发育中微管和微丝组成的细胞骨架形成和微管依赖型分子马达决

定了左右不对称，H+/K+-ATPase的母源mRNA在受精卵最初两次分裂

中已经不对称分布，并对左右决定起到了重要作用。蛙胚的快速分裂期

不对称表达离子泵和离子通道的基因，形成离子流，产生左右pH和膜

电位的不对称，产生的电势可以通过间隙连接运输小的左右不对称决定

分子如5-羟色胺，钙离子，磷酸肌醇或维甲酸，并起始不对称的nodal

表达。

肌动蛋白，LRD，H+/K+-ATPase symmetric，H+/V-ATPase symmetric参与；4细胞期氢离子流不对称分布，右侧多，16细胞期RV

四边体超极化；原肠顶板有运动纤毛，出现结流