在海葵中发现的古代身体蓝图
维也纳大学的一项新研究表明，海葵使用一种从双侧动物那里知道的分子机制来形成它们的背对腹体轴。 这种机制（“BMP 穿梭”）使细胞能够在发育过程中通过解释信号梯度来组织自身。 发表在《科学进展》上的研究结果表明，这个系统的进化比以前假设的要早得多，并且已经存在于刺胞动物和双侧动物的共同祖先中。 大多数动物表现出双侧对称性 -- 身体平面有头和尾、背部和腹部、左右两侧。 这种身体组织是被称为 Bilateria 的庞大群体的特征，其中包括脊椎动物、昆虫、软体动物和蠕虫等各种动物。 相比之下，刺胞动物，如水母和海葵，传统上被描述为径向对称的，水母确实是。 然而，海葵的情况有所不同：尽管表面呈放射状，但它们双侧对称 - 首先在胚胎中的基因表达水平上，然后在成年后的解剖学水平上也存在。 这就提出了一个基本的进化问题：双侧对称性是在 Bilateria 和 Cnidaria 的共同祖先中出现的，还是在多个动物谱系中独立进化的？ 维也纳大学的研究人员通过调查刺胞动物中是否已经存在一种称为 BMP 穿梭的关键发育机制来解决这个问题。 穿梭用于发育 在双侧动物中，背腹轴由涉及骨形态发生蛋白 （BMP） 及其抑制剂 Chordin 的信号系统模式化。 BMP 充当分子信使，告诉胚胎细胞它们在哪里以及它们应该变成什么样的组织。 在双侧胚胎中，Chordin 结合 BMP 并在称为“局部抑制”的过程中阻断其活性。 同时，在一些但不是全部双侧胚胎模型中，Chordin 还可以运输将 BMP 结合到胚胎中的其他区域，在那里它们再次被释放 - 这种机制称为“BMP 穿梭”。 像海胆、苍蝇和青蛙这样进化遥远的动物都使用 BMP 穿梭，然而，直到现在还不清楚它们是独立进化的穿梭，还是从大约 6 亿年前的最后一个共同祖先那里继承而来的。 局部抑制和 BMP 穿梭都会在整个胚胎中产生 BMP 活性的梯度。 早期胚胎中的细胞检测到这种梯度，并且根据 BMP 水平采用不同的命运。 例如，在脊椎动物中，中枢神经系统在 BMP 信号最低的地方形成，肾脏将在中间 BMP 信号水平发育，腹部皮肤将在 BMP 信号最大区域形成。 这样，身体从背部到腹部的布局就建立了。 为了找出 Chordin 的 BMP 穿梭是否代表了从背到腹轴模式的祖先机制，研究人员不得不从双侧进行观察Bilateria 外的对称动物 - 海葵。 古老的蓝图 为了测试海葵是使用 Chordin 作为局部抑制剂还是作为穿梭物，研究人员首先阻止了模型海葵 Nematostella vectensis 胚胎中 Chordin 的产生。 与 Bilateria 不同，在 Nematostella 中，BMP 信号传导需要 Chordin 的存在，因此，没有 Chordin，BMP 信号传导停止，第二体轴的形成失败。 然后，Chordin 被重新引入一个小的胚胎的一部分，看看它是否可以恢复电轴的形成。 BMP 信号转导恢复——但目前尚不清楚这是因为 Chordin 只是简单地局部阻断了 BMP，允许从现有的 BMP 来源形成梯度，还是因为它主动将 BMP 转运到胚胎的远处部分，更直接地塑造梯度。 为了回答这个问题，测试了两个版本的 Chordin ——一个是膜结合且固定的，另一个是可扩散的。 如果 Chordin 充当局部抑制剂，则可扩散的 Chordin 将在胚胎与 Chordin 产生细胞相反的一侧恢复 BMP 信号传导。 然而，只有可扩散的 Chordin 可以充当 BMP 穿梭车。 结果很明确：只有可扩散形式能够在远离其源头的地方恢复 BMP 信号传导，这表明 Chordin 在海葵中充当 BMP 穿梭机——就像它在苍蝇和青蛙中的作用一样。 跨越 6 亿多年进化的共享策略？ BMP 的存在刺胞动物和双侧动物的穿梭表明，这种分子机制早于大约 600-7 亿年前的进化分化。 “并非所有 Bilateria 都使用 Chordin 介导的 BMP 穿梭，例如，青蛙会，但鱼不会，但是，穿梭似乎在非常远亲的动物中一遍又一遍地出现，使其成为祖先模式机制的良好候选者。 事实上，不仅双侧动物，而且海葵也使用穿梭来塑造它们的体轴，告诉我们这种机制非常古老，“该研究的第一作者、维也纳大学神经科学与发育生物学系的博士后研究员大卫·莫尔斯多夫 （David Mörsdorf） 说。 “它为重新思考早期动物的身体计划是如何进化开辟了令人兴奋的可能性。” Grigory Genikhovich 是同一部门的资深作者和小组负责人，他补充说：“我们可能永远无法排除双边和双边对称的可能性刺胞动物独立进化了他们的双侧身体计划。 然而，如果刺胞动物和双侧动物的最后一个共同祖先是双侧对称的动物，那么它很可能使用 Chordin 来穿梭 BMP 以使其背对腹轴。 我们的新研究表明。 该研究得到了奥地利科学基金 （FWF） 的支持，资助 P32705 和 M3291。