国际首个海洋生物空间单细胞图谱揭示脊椎动物咽部器官的演化起源 - 海洋生物进化

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3月29日，中国海洋大学方宗熙海洋生物进化与发育研究中心董波教授团队联合青岛华大研究院范广益研究员团队在Science Advances以长篇论文形式发表研究成果“Spatially-resolved / T3 W) d) F- d4 S6 i; q single-cell atlas of ascidian endostyle provides insight into the origin of vertebrate pharyngeal organs”（海鞘内柱空间分辨率的单细胞图谱揭示脊椎动物咽部器官的演化起源）。该论文以尾索动物海鞘内柱器官为研究对象，利用华大基因开发的Stereo-seq技术，构建了国际上第一个海洋生物高质量空间分辨率单细胞图谱，论文综合基因表达水平的跨物种比较，结合形态学和基因表达特征，详细解析了内柱器官的细胞类群组成。在内柱器官中首次发现了一个类血淋巴区域的细胞类群；同时，鉴定出了一个位于内柱致密组织区的类毛细胞类群，该细胞类群与脊椎动物内耳毛细胞具有表达特征的高度相似性；并揭示了内柱类甲状腺区域不同成熟状态细胞共存的特征。研究成果为揭示脊椎动物咽部器官的潜在演化起源提供了重要信息。

咽鳃裂的形成以及咽部器官的复杂化是脊椎动物演化的关键标志之一。咽部内胚层作为后口动物祖先的创新性结构，对咽部多胚层的模式构建和咽部衍生器官的发育起到重要作用。然而，脊椎动物咽部及其附属器官如内耳、胸腺和甲状腺等的演化起源尚未完全解析。低等脊索动物类群中具有一类独有的咽部器官——内柱（Endostyle）。头索动物和尾索动物类群的内柱器官位于成体腹侧；脊椎动物圆口纲的内柱器官仅存在于幼体阶段，随发育变态形成甲状腺滤泡。以往的研究普遍认为内柱器官具有辅助动物个体滤食的功能，并且是脊椎动物中甲状腺器官的在演化上的前体器官；最近的研究表明，咽部内胚层作为后口动物共同祖先在个体发育上的创新结构，在咽部模式构建和咽部附属器官的形成过程都起到核心作用。然而，当前多种咽部附属器官的演化起源仍然没有得到完全阐释。为解决该问题，目前的主流研究大多从比较胚胎学的角度出发，结合古生物学的研究手段，聚焦于形态学的比较以及对现存物种关键转录因子的表达模式分析。而内柱，作为一种古老而又仅存于少数低等脊索动物类群的咽部器官，为探究脊椎动物咽部器官起源提供了良好的模型。 ' p5 {! i, ? s3 F# w3 {. n1 `

图 1. 内柱仅存在于海鞘和文昌鱼等脊索动物类群及圆口纲动物七鳃鳗幼体，是研究脊椎动物咽部及其附属器官起源演化的理想模型

     在本研究中，合作团队运用了当前具有极高分辨率和数据捕获能力的空间组学技术（Stereo-seq）和单细胞转录组学技术。以重要演化节点被囊动物中新兴的研究物种——柄海鞘（Styela clava）的内柱器官作为研究对象【1-3】，首次全面解析了海洋动物咽部器官的细胞类型组成和潜在功能特征。作者首先对内柱基因表达进行了空间位置信息依赖的模块划分，获得了包括激素响应、基于微管过程的调控和红细胞分化在内的多个具有空间表达特异性的基因模块。通过与将内柱表达谱与脊椎动物多种成体器官及胚胎谱系的单细胞转录组数据进行比较，揭示了内柱器官与脊椎动物咽部内胚层、轴旁中胚层、神经嵴、鳃弓、胸腺、甲状腺、髓系组织等组织器官在基因表达上的相似性。

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图 2. 柄海鞘内柱器官高质量空间分辨率单细胞图谱

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本研究首次发现了一个存在于内柱外周的区域，揭示该区域包括多种免疫细胞和血细胞类型，并将其定义为类血淋巴区域（Hemolymphoid : ?4 B! C r! b region）。在组织形态上，该区域与个体腹侧血管具有非明确的边界。通过轨迹分析和RNA速录分析，揭示了类血淋巴区域中各细胞类群潜在的分化轨迹，并发现处于分化早期的细胞类群具有造血干细胞分化和淋巴前体细胞等基因通路的高表达特征。通过联合分析内柱类血淋巴区域和海鞘外周血单细胞分辨率的表达图谱，揭示了类血淋巴区域中存在一群具有最早分化轨迹特征的细胞类群，暗示内柱类血淋巴区域可能具有补充血液组分的功能。这一发现揭示了该组织区域可能为脊椎动物血液系统及淋巴系统的演化早期模式。

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同时，作者发现了位于海鞘内柱第3区的Hair cell-like cell细胞类群与脊椎动物内耳-侧线系统中的毛细胞存在基因表达特征上的高度相似性，如PTPRQ，USH2A，WHRN和ADGRV1等基因。通过透射电镜和共聚焦荧光成像的形态学描述，确定该区域为具有F-actin组分纤毛的上皮组织，在极性轴上通过紧密连接间插排列。通过受配体分析揭示了该区域细胞群具有神经突触特有的互作关系，暗示该区域存在着紧密连接依赖的神经信号传导。跨物种比较分析揭示了类毛细胞细胞群与斑马鱼中神经丘细胞和内耳听觉毛细胞的表达相似性。以上信息揭示了内柱三区可能为脊椎动物听觉毛细胞的高相似性组分。

此外，针对过去研究广泛公认的内柱中与脊椎动物中甲状腺同源的组织区域，作者也鉴定到了一类定义为类甲状腺细胞（Thyroid & B& d5 _# a5 P2 q8 S like cell）的细胞群。其表达特征和跨物种比较也验证了过去的认知。通过将脊椎动物甲状腺器官发育过程不同阶段进行分析，获得了脊椎动物甲状腺轨迹分化相关基因列表。将该基因列表对内柱类甲状腺细胞进行映射，描述了海鞘内柱甲状腺同源区域由腹侧到背侧逐渐成熟的发育变化特征。揭示了该区域多发育成熟特征细胞共存的特征。

图3. 海鞘内柱器官与脊椎动物胚胎咽部器官的比较。上半部分左侧是成体海鞘内柱，右侧是内柱的横截面，包括对称分布的九个致密组织区以及本研究新发现的类血淋巴疏散组织区域。海鞘内柱第3区细胞类群与脊椎动物内耳-侧线系统中的毛细胞存在基因表达特征上的高度相似性；内柱类血淋巴组织区域可能为脊椎动物血液系统及淋巴系统的演化早期模式；内柱第 7 区的类甲状腺细胞群与脊椎动物甲状腺细胞同源，并具有逐渐成熟的发育变化特征 " N- G2 Z! Y# q- U" i7 e9 ?0 ?$ _

本研究首次在海洋动物演化发育生物学领域运用了前沿的空间转录组学技术，高通量地鉴定了演化上十分独特的咽部器官的细胞类群组成。研究成果为进一步了解多种具有重要演化地位和海洋独特生物类群的组织器官组成提供了较好的方法学参考与借鉴。研究成果为进一步了解咽部器官起源提供了高质量的数据支撑以及新颖见解。

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中国海洋大学硕士生江安、青岛华大韩凯研究员、中国海洋大学副教授隗健凯、青岛华大苏小珊研究员为该论文的共同第一作者。中国海洋大学董波教授、青岛华大研究院范广益研究员为该论文的通讯作者。研究工作受到国家重点研发项目、崂山实验室科技创新项目和山东省泰山学者计划等项目资助。

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论文链接

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参考文献

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2. Wei, J., Zhang, J., Lu, Q., Ren, P., Guo, X., Wang, J., Li, X., Chang, Y., Duan, S., Wang, S., Yu, H., Zhang, X., Yang, X., Gao, H. and Dong, B.* (2020) Genomic basis of environmental adaptation in the leathery sea squirt (Styela clava). Molecular Ecology Resources, 20, 1414-1431.

3. Wei, J.#, Liu, P.#, Liu, F.#, Jiang, A., Qiao, J., Pu, Z., Wang, B., Zhang, J., Jia, D., Li, Y.*, Wang, S.*, and Dong, B.*. EDomics: a comprehensive and comparative multiomics database for animal evo-devo. Nucleic Acids Research 2023, 51, D913–D923.

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