Cell子刊：动物发育机制的进化

　　像海葵这样的简单动物缺乏骨骼、大脑，甚至没有完整的肠道，它们的身体结构似乎与人类及其脊椎动物亲戚没有什么共同之处。然而，新的研究表明，外表可能具有欺骗性，一个共同的基因工具包可以以不同的方式驱动胚胎发育，产生非常不同的成人身体计划。众所周知，海葵、珊瑚和它们的水母亲戚与人类有着共同的祖先，6亿多年前，人类在地球的古代海洋中生活。吉布森实验室的一项新研究发表在2023年6月13日的《当代生物学》杂志上，阐明了海葵Nematostella vectensis体型发育的遗传基础。这一新发现生动地描绘了地球上最早的一些动物是如何从卵到胚胎再到成虫的。

　　

像海葵这样的简单动物缺乏骨骼、大脑，甚至没有完整的肠道，它们的身体结构似乎与人类及其脊椎动物亲戚没有什么共同之处。然而，来自斯托尔斯医学研究所的调查员马特·吉布森博士的新研究表明，外表可能具有欺骗性，一个共同的基因工具包可以以不同的方式驱动胚胎发育，从而产生截然不同的成人身体计划。

众所周知，海葵、珊瑚和它们的水母亲戚与人类有着共同的祖先，6亿多年前，人类在地球的古代海洋中生活。吉布森实验室的一项新研究发表在2023年6月13日的《当代生物学》杂志上，阐明了海葵Nematostella vectensis体型发育的遗传基础。这一新发现生动地描绘了地球上最早的一些动物是如何从卵到胚胎再到成虫的。

“研究线虫的发育遗传学有点像乘坐时光机回到遥远的过去，”吉布森说。“我们的工作使我们能够询问很久以前的生命是什么样子的——在恐龙出现之前的数亿年。古代动物是如何从卵子发育到成年的?指导胚胎发育的遗传机制在多大程度上持续了数千年?”

大多数现代动物，从昆虫到脊椎动物，都是通过形成从头到尾的一系列节段来发育的，这些节段根据它们的位置具有不同的身份。在一个给定的片段中，有一个进一步的极性轴，它告诉细胞它们是在片段的前面还是后面。总的来说，这被称为片段极化。

何硕南博士是吉布森实验室的前博士前研究员，他发现了海葵(Nematostella vectensis)发育过程中涉及的基因，这些基因指导片段的形成，以及其他指导片段极性程序的基因，与包括人类在内的生命进化树上更高的生物惊人地相似。

吉布森说:“重要的是，构成极为不同的动物身体结构的基因指令，例如海葵和人类，是惊人的相似。”“遗传逻辑基本上是一样的。”

这项新研究建立在2018年吉布森实验室发表在《科学》杂志上的一项研究的基础上，该研究表明海葵在发育早期具有内部两侧对称的八个径向段。该研究表明，Hox基因——对人类发育至关重要的主要发育基因——可以划定区段之间的边界，可能在区段构建中起着古老的作用。

该团队的最新发现探索了片段是如何形成的，以及它们身份差异的原因。利用空间转录组学，或片段之间基因表达的差异，研究小组发现了数百个新的片段特异性基因。其中包括两个至关重要的基因，它们编码在Hox基因控制下控制片段极化的转录因子，并且是海葵肌肉正确放置所必需的。

地球上生物的惊人多样性可以比作乐高积木的组装。吉布森说:“无论你构造恐龙、海葵还是人类，尽管动物形态截然不同，但许多核心基因构建块在很大程度上是相同的。”

这是科学家们第一次有证据表明，在前双边动物中，节段极化的分子基础。虽然在果蝇和人类等双侧物种中进行了广泛的研究，但刺胞动物具有分割的想法是出乎意料的。现在，研究小组有证据表明，这些部分也是两极分化的。

吉布森说:“这进一步证明，研究动物的广泛多样性可以直接影响对一般原理的理解，包括那些适用于人类生物学的原理。”“更进一步，通过了解海葵发育的逻辑，并将其与我们在脊椎动物中看到的进行比较，我们还可以及时推断，了解数亿年前动物可能是如何发展的。”

其他作者包括邵万清博士、陈世远博士、王婷博士。

这项工作由美国国立卫生研究院(NIH)资助(奖励:RO1HG007175，奖励:U24ES026699，奖励:U01CA200060，奖励:U01HG009391，奖励:U41HG010972)和斯托斯医学研究所的机构支持。内容完全是作者的责任，并不一定代表美国国立卫生研究院的官方观点。

Journal Reference:

1. Shuonan He, Wanqing Shao, Shiyuan (Cynthia) Chen, Ting Wang, Matthew C. Gibson. Spatial transcriptomics reveals a cnidarian segment polarity program in Nematostella vectensis. Current Biology, 2023; DOI: 10.1016/j.cub.2023.05.044