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脊索動物身體結構發展的新見解回答了長期以來的進化問題

脊索動物


脊索動物身體結構發展的新見解回答了長期以來的進化問題


一種海星，學名Patiria pectinifera 。Credit: Hitoshi Tominaga
據美國物理學家組織網（by Okinawa Institute of Science and Technology）：地球上的生命始于35億年前 ， 但人類和其他脊椎動物的歷史只占這個時間表的一小部分 。脊索動物(包括脊椎動物在內的一個群體)和棘皮動物(如海星和海膽)被認為是在大約5億年前從一個共同的半知動物祖先進化而來 。然而，盡管從進化和發育生物學的角度來看 ， 脊索動物復雜而精密的身體結構是如何進化的仍然不完全清楚 。因此，這個問題長期以來一直是專家們爭論不休的話題 。
現在，由于日本沖繩科學技術研究所研究生院的Hitoshi Tominaga博士、Koki Nishitsuji博士和Noriyuki Satoh教授最近在《發育生物學》雜志上發表的一項研究，答案在望 。
動物的胚胎學和幼蟲發育都受一組模式基因的調節，這些基因的表達提供了身體規劃的藍圖 。棘皮動物是脊索動物的姐妹群 。因此 ， 深入了解它們的發育模式可以為脊索動物的身體發育提供有用的信息 。因此，我們檢查了海星發育階段的基因表達模式，特別是因為它們的胚胎發生模式在棘皮動物中比在海膽中更常見，”領導這項研究的Satoh教授說 。

脊索動物身體結構發展的新見解回答了長期以來的進化問題


基于轉錄因子基因和細胞信號分子基因的共有表達譜，海星胚胎和幼體的組成細胞可以分為22個群，編號為0-21 。每個點代表一個細胞 。Credit: Nori Satoh/OIST
為了進行表達分析，研究小組瞄準了海星的原腸胚(胚胎)和二回羽狀幼體，學名為Patiria pectinifera 。他們使用RNA測序在單細胞水平上分析了這些幼蟲的基因表達，并根據其特定的、共享的發育相關基因表達譜將每個細胞分為22個簇 。
“以前，我們只能通過單個基因在組織水平上檢測RNA表達，這只能讓我們對發展計劃有更廣泛的了解，”Tominaga博士解釋說 。
他的同事Nishitsuji博士補充說，“單細胞RNA測序等進步使我們有能力通過一組基因在細胞水平上剖析這些過程 ?！?br>通過他們的RNA測序分析，研究人員開發了一個發育相關轉錄因子和信號分子基因的地圖，這些基因在多個發育結構中表達，包括口腔和流產外胚層，頂盤，后腸和中腸，內胚層，造口區和原腸胚的間充質 ， 以及幼蟲的神經元，睫狀帶，小腸和肌肉 。

脊索動物身體結構發展的新見解回答了長期以來的進化問題


原腸胚(左側視圖) 。(B)原腸胚中每一簇的解剖分布 。(C)早期幼蟲，左側視圖 。(D)早期幼蟲中每一簇的解剖分布 。簇號與相應的胚層、器官和組織一起顯示 。該圖顯示 ， 例如群8的細胞包含頂盤，而群9的細胞包含中胚層衍生物體腔 。Credit: Nori Satoh/OIST
下一步是將該圖與基于同源(兩個不同物種之間相似)發育相關基因表達的脊索動物幼蟲身體圖進行比較 。文昌魚是一種古老的脊索動物，被認為是像人類一樣的脊椎動物的起源，被選為脊索動物模型 。特別注意棘皮動物幼蟲的睫狀帶、體腔、造口和咽部 。通過對海星和文昌魚幼體的比較分析，研究人員提出了一種新的觀點 ， 即脊索動物的身體計劃是如何從一種半知動物的祖先進化而來的 。
Satoh教授解釋說，“通過對同源基因的分析和比較，我們可以了解祖先的哪些組織或細胞可能也進化成了脊索動物結構和步行結構 。”
具體來說 ， 研究小組發現，脊索動物神經系統，如人類的脊索動物神經系統 ， 是從祖先的胚胎區域進化而來的，對應于棘皮動物的睫狀帶 。此外，脊索動物的側中胚層——它產生了像循環系統和體壁肌肉這樣的結構——很可能是從后生動物祖先胚胎的棘皮動物體腔進化而來的 。最后，Spemann的組織者，負責誘導神經細胞的發育，起源于祖先胚胎的棘皮動物口模 。
總之，這些發現提供了棘皮動物和脊索動物從一個共同的半知動物祖先發展的潛在模型 。這個模型回答了進化發育生物學中的一個核心問題，解釋了來自不同分類群的動物如何發展出它們特有的身體計劃 ， 以及這些計劃如何在具有共同祖先的不同群體中分化 。這項研究代表了進化發育生物學研究的一個里程碑，并揭示了我們自身進化史的一個關鍵方面 。