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前脑发育-研究从没有端脑的海鞘如何进化到有端脑的脊椎动物

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新華網昆明7月13日電(記者 白靖利)無脊椎動物如何向脊椎動物進化?脊椎動物智慧的源頭——端腦又是怎樣形成的?中外科學家新近研究成果可能為進一步還原此過程提供重要分子證據。

“海鞘作為從無脊椎向脊椎過渡的進化節點動物,對瞭解脊椎動物新細胞類型的進化有著重要研究意義。”陳凱介紹,端腦是公認的脊椎動物的主要進化創新,也是智慧的來源,為之後高等脊椎動物大腦皮層的進化提供基礎。“海鞘沒有端腦,但已經具有端腦的一個基礎結構——前腦,研究從沒有端腦的海鞘如何進化到有端腦的脊椎動物,這個過程十分重要。”陳凱說。

研究團隊以玻璃海鞘為模型,繪製首個涵蓋從三胚層分化到孵化全過程的脊索動物胚胎發育單細胞轉錄圖譜,併成功構建包括神經系統在內全部組織類型的細胞分化譜系。在此基礎上,研究團隊探索了細胞命運決定過程中的基因調控網絡,對脊索和神經系統基因調控網絡進行細緻分析,揭示出脊索在整個脊索動物門進化過程的中間態,並提出脊椎動物特有的端腦可能的新進化機制。

中國和美國等國科研人員的相關研究成果11日在美國《自然》雜誌發表。據論文共同通訊作者、昆明理工大學靈長類轉化醫學研究院研究員陳凱介紹,解析細胞命運決定過程的轉錄動態是發育生物學的核心問題之一,包括海鞘在內的鑲嵌發育動物因胚胎發育個體差異小、細胞譜系清楚,非常適合研究細胞命運決定過程中的轉錄調控。

目前被廣泛接受的假說是原始前腦分區形成間腦和端腦。通過對構建的玻璃海鞘所有前腦和相關細胞譜系的調控基因分析,研究團隊發現主要的端腦發育轉錄因子在玻璃海鞘都有表達,但分別位於兩個結構上完全不同的區域。基於這些結果,研究團隊提出,端腦有可能是前腦在神經管閉合過程中進一步往末端延伸,將神經基板的調控網絡整合形成。為此,研究人員將海鞘的報告基因註射到非洲鱂魚受精卵中,發現在神經基板里特異表達的熒光蛋白,在鱂魚幼蟲的端腦最末端也有表達。這一發現和提出的前腦和神經基板基因網絡整合的假說相一致,為脊椎動物端腦的起源和進化提供重要分子證據。(完)