对七鳃鳗胚胎的研究揭示了脊椎动物头部的进化起源 _七鳃鳗

详细的胚胎学分析证明，这些原始的无颚鱼可能掌握着脊椎动物头部进化起源的线索。鸣谢:福井大学的Takayuki Onai
据福井大学：脊椎动物头骨的起源是进化生物学家争论的话题。一些人认为脊椎动物的头部是由于躯干的节段性成分(如椎骨和体节)的改变而形成的。另一方面，其他人认为脊椎动物的头部是作为一个新的、未分割的身体部分进化而来的，与其他广泛观察到的胚胎体节无关。
有趣的是，以前对胚胎的研究已经揭示了头中胚层中存在一些体节残余(例如头腔和体节) 。然而，躯干体节和这样的头节之间的同源性一直有争议。
未能理解脊椎动物头部的进化起源也归因于缺乏对现存物种如七鳃鳗的研究，已知七鳃鳗与无颌脊椎动物化石有一些共同的特征，并保留了与头部中胚层相关的原始特征。
虽然一些研究集中在七鳃鳗的胚胎形态学上，但由于检查过程中组织破坏和酸性固定等挑战，使得难以观察头部中胚层和躯干体节的形成，这些研究经常失败。
然而，现在由日本福井大学助理教授Takayuki Onai领导的研究小组利用先进的技术，如透射电子显微镜和连续块面扫描电子显微镜(SBF-SEM)，了解七鳃鳗胚胎头部中胚层和体节的发育。
研究人员还分析了头索动物和半脊椎动物(均为无脊椎动物)的形态学和基因表达模式，以从进化的角度理解体节和头中胚层的起源。
这篇论文发表在《科学》杂志上，由Aix-马赛大学的Noritaka Adachi博士、国家生理科学研究所(NIPS)的Hidetoshi Urakubo博士、兵库医科大学的Fumiaki Sugahara博士、大阪大学的Toshihiro Aramaki博士、NIPS和名古屋市立大学的Mami松本博士以及NIPS的Nobuhiko Ohno博士共同撰写。
为了澄清在多样化的早期阶段头部中胚层中是否存在体节，研究人员重点研究了玫瑰花结，这是主要的体节模式，对椎骨的后续发育非常重要。他们对七鳃鳗胚胎的初步观察表明，与面部肌肉和头骨其他元素的形成密切相关的组织，即头部中胚层，确实具有类似于体节玫瑰花结的细胞群。
为了澄清这些细胞簇是否是玫瑰花结，他们进行了超微结构实验，包括SBF扫描电镜和基因表达分析。细胞形态学和基因表达检测显示，细胞团明显不同于玫瑰花结。“我们观察到的细胞群可能是七鳃鳗特有的特征，因为它们在八目鳗和鲨鱼胚胎的头部中胚层中都是不可识别的，”Onai博士解释道。
此外，基因表达分析也揭示了体节发生相关基因的节段性表达的缺失，表明它们与体节的区别。这些发现表明，体节中常见的玫瑰花结模式不一定是定义身体分割过程的必要或最基本的特征。
此外，实验提供了脊椎动物头部中胚层在脊椎动物进化早期分化的证据。此外，对半棘螈(一种基底半知类动物)、文昌鱼(一种基底脊索动物)和脊椎动物胚胎的比较表明，体节可能起源于古代半知类动物祖先的“内中胚层”组织。
150多年来，体节的进化起源一直是动物学的中心问题，在这项研究中，Onai等人揭示了这个谜。关于头中胚层出现的进化机制，他们发现头中胚层是在生物前部和后部(喙尾轴)之间的中胚层基因分离时出现的。
“我们的发现揭示了脊椎动物头部中胚层的不同进化起源，表明它是从古代中胚层的重新图案化进化而来的，甚至在有颌脊椎动物出现之前就已经多样化了， ”Onai博士总结道。
总之，头部中胚层中存在的细胞团在形态学和分子水平上与体节不同的发现支持了一个新的模型，即脊椎动物头部中胚层在早期进化中发生了分化。这为关于脊椎动物头部进化的古老争论提供了更多的线索，并有助于我们加深对自身起源的理解。