脊索动物身体结构发展的新见解回答了长期以来的进化问题

一种海星，学名Patiria pectinifera。Credit: Hitoshi Tominaga

（神秘的地球uux.cn）据美国物理学家组织网（by Okinawa Institute of Science and Technology）：地球上的生命始于35亿年前，但人类和其他脊椎动物的历史只占这个时间表的一小部分。脊索动物(包括脊椎动物在内的一个群体)和棘皮动物(如海星和海胆)被认为是在大约5亿年前从一个共同的半知动物祖先进化而来。然而，尽管从进化和发育生物学的角度来看，脊索动物复杂而精密的身体结构是如何进化的仍然不完全清楚。因此，这个问题长期以来一直是专家们争论不休的话题。

现在，由于日本冲绳科学技术研究所研究生院的Hitoshi Tominaga博士、Koki Nishitsuji博士和Noriyuki Satoh教授最近在《发育生物学》杂志上发表的一项研究，答案在望。

动物的胚胎学和幼虫发育都受一组模式基因的调节，这些基因的表达提供了身体规划的蓝图。棘皮动物是脊索动物的姐妹群。因此，深入了解它们的发育模式可以为脊索动物的身体发育提供有用的信息。因此，我们检查了海星发育阶段的基因表达模式，特别是因为它们的胚胎发生模式在棘皮动物中比在海胆中更常见，”领导这项研究的Satoh教授说。

基于转录因子基因和细胞信号分子基因的共有表达谱，海星胚胎和幼体的组成细胞可以分为22个群，编号为0-21。每个点代表一个细胞。Credit: Nori Satoh/OIST

为了进行表达分析，研究小组瞄准了海星的原肠胚(胚胎)和二回羽状幼体，学名为Patiria pectinifera。他们使用RNA测序在单细胞水平上分析了这些幼虫的基因表达，并根据其特定的、共享的发育相关基因表达谱将每个细胞分为22个簇。

“以前，我们只能通过单个基因在组织水平上检测RNA表达，这只能让我们对发展计划有更广泛的了解，”Tominaga博士解释说。

他的同事Nishitsuji博士补充说，“单细胞RNA测序等进步使我们有能力通过一组基因在细胞水平上剖析这些过程。”

通过他们的RNA测序分析，研究人员开发了一个发育相关转录因子和信号分子基因的地图，这些基因在多个发育结构中表达，包括口腔和流产外胚层，顶盘，后肠和中肠，内胚层，造口区和原肠胚的间充质，以及幼虫的神经元，睫状带，小肠和肌肉。

原肠胚(左侧视图)。(B)原肠胚中每一簇的解剖分布。(C)早期幼虫，左侧视图。(D)早期幼虫中每一簇的解剖分布。簇号与相应的胚层、器官和组织一起显示。该图显示，例如群8的细胞包含顶盘，而群9的细胞包含中胚层衍生物体腔。Credit: Nori Satoh/OIST

下一步是将该图与基于同源(两个不同物种之间相似)发育相关基因表达的脊索动物幼虫身体图进行比较。文昌鱼是一种古老的脊索动物，被认为是像人类一样的脊椎动物的起源，被选为脊索动物模型。特别注意棘皮动物幼虫的睫状带、体腔、造口和咽部。通过对海星和文昌鱼幼体的比较分析，研究人员提出了一种新的观点，即脊索动物的身体计划是如何从一种半知动物的祖先进化而来的。

Satoh教授解释说，“通过对同源基因的分析和比较，我们可以了解祖先的哪些组织或细胞可能也进化成了脊索动物结构和步行结构。”

具体来说，研究小组发现，脊索动物神经系统，如人类的脊索动物神经系统，是从祖先的胚胎区域进化而来的，对应于棘皮动物的睫状带。此外，脊索动物的侧中胚层——它产生了像循环系统和体壁肌肉这样的结构——很可能是从后生动物祖先胚胎的棘皮动物体腔进化而来的。最后，Spemann的组织者，负责诱导神经细胞的发育，起源于祖先胚胎的棘皮动物口模。

总之，这些发现提供了棘皮动物和脊索动物从一个共同的半知动物祖先发展的潜在模型。这个模型回答了进化发育生物学中的一个核心问题，解释了来自不同分类群的动物如何发展出它们特有的身体计划，以及这些计划如何在具有共同祖先的不同群体中分化。这项研究代表了进化发育生物学研究的一个里程碑，并揭示了我们自身进化史的一个关键方面。