海七鰓鰻是僅有的兩種沒有頜骨的脊椎動(dòng)物之一，它們對(duì)中西部漁業(yè)造成了嚴(yán)重破壞，同時(shí)也幫助科學(xué)家了解推動(dòng)脊椎動(dòng)物進(jìn)化的兩種重要干細(xì)胞的起源。
西北大學(xué)的生物學(xué)家已經(jīng)確定了調(diào)節(jié)這些干細(xì)胞的基因網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)化時(shí)間，并深入了解了七鰓鰻缺失上顎的可能原因。
這兩種細(xì)胞類型——多能囊胚細(xì)胞(或胚胎干細(xì)胞)和神經(jīng)嵴細(xì)胞——都是“多能性的”，這意味著它們可以成為身體內(nèi)所有其他類型的細(xì)胞。
在一篇新論文中，研究人員將七鰓鰻的基因與非洲爪蟾(一種有頜水生青蛙)的基因進(jìn)行了比較。通過比較轉(zhuǎn)錄組學(xué)，該研究揭示了無頜脊椎動(dòng)物和有頜脊椎動(dòng)物的多能性基因網(wǎng)絡(luò)驚人地相似，甚至在關(guān)鍵調(diào)控因子的轉(zhuǎn)錄本豐度水平上也是如此。
但研究人員還發(fā)現(xiàn)了一個(gè)關(guān)鍵的區(qū)別。雖然這兩個(gè)物種的囊胚細(xì)胞都表達(dá) pou5 基因，這是一種關(guān)鍵的干細(xì)胞調(diào)節(jié)劑，但七鰓鰻的神經(jīng)嵴干細(xì)胞中并不表達(dá)該基因。失去這個(gè)因子可能限制了神經(jīng)嵴細(xì)胞形成在有頜脊椎動(dòng)物(有脊椎的動(dòng)物)中發(fā)現(xiàn)的細(xì)胞類型的能力，這些細(xì)胞構(gòu)成了頭部和頜骨。
該研究于7 月 26 日發(fā)表在《自然生態(tài)與進(jìn)化》雜志上。
通過比較無頜脊椎動(dòng)物和有頜脊椎動(dòng)物的生物學(xué)，研究人員可以深入了解包括人類在內(nèi)的脊椎動(dòng)物的特征的進(jìn)化起源，基因表達(dá)的差異如何導(dǎo)致身體結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵差異，以及所有脊椎動(dòng)物的共同祖先是什么樣的。
領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的西北大學(xué)的卡羅爾·拉博恩 (Carole LaBonne) 說：“七鰓鰻可能掌握著了解我們起源的關(guān)鍵。”
“在進(jìn)化生物學(xué)中，如果你想了解一個(gè)特征從何而來，你就不能指望那些已經(jīng)獨(dú)立進(jìn)化了 5 億年的更復(fù)雜的脊椎動(dòng)物。你需要回顧你所研究的動(dòng)物類型的最原始版本，這將帶我們回到盲鰻和七鰓鰻——無頜脊椎動(dòng)物的最后活體例子。”
LaBonne 是發(fā)育生物學(xué)專家，現(xiàn)任溫伯格文理學(xué)院分子生物科學(xué)教授。她擔(dān)任 Erastus Otis Haven 講席教授，也是美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì) (NSF) 新成立的西蒙斯國(guó)家生物理論與數(shù)學(xué)研究所的領(lǐng)導(dǎo)成員。
LaBonne 和她的同事之前曾證明，神經(jīng)嵴細(xì)胞的發(fā)育起源與保留控制囊胚干細(xì)胞多能性的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)有關(guān)。在這項(xiàng)新研究中，他們探索了這兩個(gè)干細(xì)胞群體之間聯(lián)系的進(jìn)化起源。
“神經(jīng)嵴干細(xì)胞就像進(jìn)化的樂高積木，”LaBonne 說。“它們會(huì)變成截然不同的細(xì)胞類型，包括神經(jīng)元和肌肉，而所有這些細(xì)胞類型的共同點(diǎn)是神經(jīng)嵴內(nèi)有共同的發(fā)育起源。”
隨著胚胎的發(fā)育，囊胚階段的胚胎干細(xì)胞會(huì)迅速喪失多能性并局限于不同的細(xì)胞類型，而神經(jīng)嵴細(xì)胞則會(huì)保留在發(fā)育后期控制多能性的分子工具包。
LaBonne 的團(tuán)隊(duì)在七鰓鰻囊胚細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)完整的多能性網(wǎng)絡(luò)，這些干細(xì)胞在無頜脊椎動(dòng)物中的作用一直是個(gè)懸而未決的問題。這意味著有頜和無頜脊椎動(dòng)物的囊胚和神經(jīng)嵴干細(xì)胞群在脊椎動(dòng)物的基礎(chǔ)上共同進(jìn)化。
西北大學(xué)博士后研究員兼第一作者約書亞·約克 (Joshua York) 發(fā)現(xiàn)七鰓鰻和非洲爪蟾之間“相似之處多于不同之處”。
約克說：“雖然控制多能性的大多數(shù)基因都在七鰓鰻神經(jīng)嵴中表達(dá)，但這些關(guān)鍵基因之一——pou5——的表達(dá)卻在這些細(xì)胞中消失了。”
“令人驚訝的是，盡管 pou5 并未在七鰓鰻的神經(jīng)嵴中表達(dá)，但當(dāng)我們?cè)谇嗤苤斜磉_(dá)它時(shí)，它卻能夠促進(jìn)神經(jīng)嵴的形成，這表明該基因是我們最早的脊椎動(dòng)物祖先中存在的古老多能性網(wǎng)絡(luò)的一部分。”
該實(shí)驗(yàn)還幫助他們假設(shè)該基因在某些生物中是專門丟失的，而不是有頜脊椎動(dòng)物后來發(fā)展出來的。
“這項(xiàng)研究的另一個(gè)引人注目的發(fā)現(xiàn)是，盡管這些動(dòng)物在進(jìn)化過程中相隔 5 億年，但促進(jìn)多能性所需的基因表達(dá)水平卻受到嚴(yán)格限制，”LaBonne 說。“尚未解答的最大問題是，為什么?”
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