科学家揭示“刺猬基因”功能的阶梯式演化

发布时间:2020-07-15

2020714135628675.jpg


脊椎动物器官结构的复杂程度,可谓现存生物之最,其中枢神经系统的起源与进化一直是发育生物学领域的重要命题。7月14日,《自然-生态与进化》在线发表了一项研究,科学家阐明了脊椎动物祖先——文昌鱼神经系统分化的关键步骤,并找到其与脊椎动物在分化中的差异,这些差异可能是导致脊椎动物中枢神经系统高度复杂化的重要原因。

 

而这一切,都与一种名叫“刺猬”的基因密切相关。

 

解谜神经发育,在文昌鱼中寻踪“刺猬”

 

论文通讯作者之一、厦门大学生命科学学院副教授李光告诉《中国科学报》,刺猬基因(Hedgehog,简称Hh)广泛存在于昆虫、哺乳动物等不同类群动物中,并在这些动物胚胎的多个器官或组织的发生过程中起重要作用。

 

“Hh基因最早在果蝇身上发现,因其突变体呈球状、表面布满刚毛,形似刺猬,所以被称为‘刺猬基因’”,李光表示,在脊椎动物中,Hh蛋白由脊索和神经管基板细胞合成分泌,并以此为中心向四周扩散,形成浓度梯度,影响周围组织或神经管等器官细胞的分化。

 

为了探明Hh基因在文昌鱼神经系统发育中的作用,李光与厦门大学生命科学学院教授王义权等人建立了文昌鱼Hh等基因的突变体,与牛津大学动物学系教授Sebastian M. Shimeld展开合作。

 

研究团队发现,在脊索动物进化过程中,Hh基因参与神经管形成的功能是“分步式”产生的。

 

首先,在脊索动物祖先中,Hh基因开始在脊索和神经管腹侧表达,参与部分运动神经元的发生,接着,在脊椎动物进化早期,Hh基因进一步参与更多与神经发育相关的转录子调控中,并促成它们形成相互抑制的作用关系,进而参与到不同神经元前体细胞的分化中。

 

“尽管Hh基因可在文昌鱼脊索和神经管腹侧表达,但它只参与了文昌鱼神经管腹侧部分运动神经元和Err基因阳性神经元的发育调控。而且在文昌鱼胚胎中,神经管背腹不同区域的转录子间缺乏明显的相互抑制。我们认为,这些差异可能是导致脊椎动物中枢神经系统高度复杂化的重要原因。”李光表示。


2020714135643503.jpg


模型难得,早期脊椎动物进化仍有谜题

 

值得一提的是,这项研究中用到的文昌鱼Hh突变体模型乃世界首例。

 

“果蝇、线虫是目前研究最为深入的无脊椎动物模型,但其神经系统和脊椎动物差别较大”,李光表示,此类动物尚未形成神经管,而神经管是高度聚集的中枢神经系统,因此基于它们的研究成果对探索脊椎动物神经系统起源来说,可提供的信息相对有限。

 

文昌鱼是无脊椎动物向脊椎动物进化的关键过度类群,其背神经管等器官构造与脊椎动物非常相似,是公认的研究脊椎动物起源、胚胎发育等的理想模型。但长期以来研究方法都较为单一。

 

“近20年来,我们课题组一直致力于文昌鱼模式动物化建设”,李光告诉《中国科学报》,课题组目前已在室内实现文昌鱼的全年可控繁育,并建立了包括基因敲除、敲入等在内的基因功能研究方法。

 

未来,课题组还将继续探究脊椎动物起源之谜。

 

李光表示,在文昌鱼中,Hh基因的表达模式与脊椎动物的Shh基因相似,“但文昌鱼胚胎中Hh只调控腹侧运动神经元前体发育的相关基因,无法调控神经管中间及背部神经元前体发育的相关基因,这说明在脊椎动物进化早期,中间及背部神经管区域发育相关基因的上游转录调控元件可能发生了重要变化。”这也是课题组未来着重要阐明的问题。

 

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41559-020-1248-9