今日《自然》:我們的“頭”是怎麼長的?一種沒頭的動物透露了謎底

作為脊椎動物,我們擁有一款很不錯的頭。與無脊椎動物相比,

脊椎動物的頭在處理感覺資訊上實現了“創新”

,為分佈廣泛、數量眾多的感覺細胞提供了充足空間,於是我們可以更好地感知環境中的大量刺激和不斷變化。放到漫長的演化過程中去看,這樣的頭為生存提供了優勢。

外部刺激傳到大腦時,分佈於脊椎動物整個頭部的神經節,是從感覺器官接收資訊的重要中轉站。而這些神經節,即顱感覺神經節(Cranial Sensory Ganglia)是如何形成的,則成為動物演化發育中的一個重要節點。

今日《自然》:我們的“頭”是怎麼長的?一種沒頭的動物透露了謎底

頂尖學術期刊《自然》的最新一期上,一支國際研究小組揭示了

脊椎動物頭部感覺神經節的來源

。他們發現,決定頭部感覺神經節的遺傳程式,可以追溯到一類非常原始的動物——

被囊動物

。有趣的是,

這類動物在生長髮育的過程中會逐漸失去自己的“頭”

科學家們研究了一類叫做海鞘的海洋動物。系統發育學上,海鞘與我們脊椎動物同屬脊索動物門,但它們是被囊動物亞門的代表,過去也叫尾索動物。

今日《自然》:我們的“頭”是怎麼長的?一種沒頭的動物透露了謎底

▲這項研究的”主角“玻璃海鞘(Ciona intestinalis)(圖片來源:perezoso / wikimedia)

自然界有數千種不同的海鞘,成體外形各異,有的像一坨口香糖,有的像一團泡泡,附著在岩石上不會動。

別看它們都長得“沒頭沒腦”的,小時候卻不這樣

。幼蟲有點像蝌蚪,前端有眼點等感覺器官,一條軟軟的脊索支撐著軀幹,脊索背側有神經管。但長著長著,海鞘就變了,經歷一種叫做“逆行變態“的發育過程,脊索與尾部消失,神經系統退化,感覺器官消失,最後體壁形成一層保護性的被囊——被囊動物由此得名。

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Ute Rothbächer教授實驗室中的海鞘(圖片來源:因斯布魯克大學官網)

被囊動物就像脊椎動物的進化原型

,”研究作者之一、奧地利因斯布魯克大學的Ute Rothbächer教授解釋說。“這些被囊動物的成體之間有很大的解剖學差別,因為它們適應了不同的生態位。要研究它們的進化也就變得很複雜。但在胚胎階段,可以找出它們共同的結構和機制,

而我們與被囊動物的共同祖先可能就與被囊動物的幼蟲非常相像

。”

科學家們在這項工作中研究了一種同源盒轉錄因子

Hmx

在玻璃海鞘中的作用。用CRISPR-Cas9技術,研究人員將

Hmx

從海鞘的基因組中敲除,或是用轉基因的方法,讓這個基因在體內過量表達。

實驗結果表明,

Hmx

控制著海鞘尾部雙極尾神經元(bipolar tail neuron)的分化

。相應地,在脊椎動物中,這一基因對顱感覺神經節起作用。

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▲顯微鏡下的海鞘胚胎,熒游標記顯示出了尾部的雙極尾神經元(綠色所示)和表皮細胞(紫紅色所示)(圖片來源:參考資料[3];Credit:Alessandro Pennati)

更令人驚訝的是,

科學家們嘗試著把七鰓鰻的

Hmx

片段插入海鞘的DNA中,結果這些七鰓鰻的基因片段可以像海鞘自己的

Hmx

一樣具有活性

。七鰓鰻是一種古老的脊椎動物,因此這一結果也就意味著,

Hmx

在演化中保持著它的原始功能和結構,可能從脊椎動物與被囊動物的共同祖先中一直保留了下來。

“這證明,

Hmx

是一個在演化過程中保持不變的中心基因

。”論文的第一作者、博士生Alessandro Pennati解釋道。

透過對海鞘的研究,科學家們總結說,顱感覺神經節和雙極尾神經元有著相同的演化起源,而在脊椎動物高度專業化的頭部感覺器官的形成中,他們找到了一個起關鍵作用的基因。

參考資料:

[1] Vasileios Papadogiannis et al。, (2022) Hmx gene conservation identifies the origin of vertebrate cranial ganglia。 Nature https://doi。org/10。1038/s41586-022-04742-w

[2] William Jeffery (2014) The tunicate Ciona: a model system for understanding the relationship between regeneration and aging。 Invertebr Reprod Dev。 doi: 10。1080/07924259。2014。925515

[3] Important genetic origin of our senses identified。 Retrieved May 19, 2022 from https://www。eurekalert。org/news-releases/952951

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