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项目文章 | 文昌鱼发育轨迹揭示脊索动物神经系统的进化之谜！

发布时间：2024-08-28 13:20:19

2024年7月，厦门大学生命科学学院李光教授团队、中科院动物所周旭明研究员团队和牛津大学生物系Sebastian Shimeld团队联合在Nature Ecology & Evolution杂志上发表了题为“Evolutionary origin of the chordate nervous system revealed by amphioxus developmental trajectories”的研究论文。该文章通过研究文昌鱼发育轨迹揭示了脊索动物神经系统的进化起源。

新格元在该研究中提供了GEXSCOPE^®单细胞转录组测序服务。

研究背景

脊椎动物拥有复杂的神经系统，数百年来一直吸引着研究人员的关注。然而人们对其仍然了解甚少。文昌鱼（Amphioxus）是一种脊索动物，进化上位于脊椎动物基部，结构上与脊椎动物有许多共同之处。尽管对文昌鱼的发育研究已有百年历史，但关于神经细胞分类、发育轨迹及其调控机制仍然不甚清楚。

思维导图

主要研究结果

1.文昌鱼胚胎在七个发育阶段的单细胞转录组图谱

研究人员从七个发育阶段的文昌鱼胚胎收集活细胞，并通过单细胞转录组测序技术构建了不同发育阶段的细胞图谱。通过总结已知标记基因的文献，并比对所有细胞簇的基因表达谱，定义了300余个细胞簇的名称与所在的胚层、器官身份。

图1. 文昌鱼胚胎在七个发育阶段的细胞转录组图谱

2.神经细胞类型的识别与比较

研究人员利用Elav基因作为泛神经元标记，以及该研究中验证的多种基因，识别了中期神经胚阶段(N4)和晚期神经胚阶段(T1)的神经细胞簇。文中展示了这些细胞簇中标记基因的表达情况，包括下丘脑样神经元和神经垂体样神经元，这些细胞类型在文昌鱼胚胎中是首次被详细描述。此外，研究人员还通过单细胞转录组跨物种比对算法SAMap，探讨了文昌鱼神经细胞与其他四个物种（小鼠、斑马鱼、海鞘、文昌鱼）神经细胞之间的同源性。

图2. 神经细胞类型的识别与比较

3.文昌鱼胚胎神经细胞发育轨迹

研究人员利用转录组相似性和RNA速率分析(scVelo)预测了细胞簇之间的分化发育关系。研究人员发现追溯到G0时期（文昌鱼原肠胚早期），最前端神经元的预测前体细胞 (G0:18) 与中部神经元的预测前体细胞 (G0:14) 和最后端神经元的预测前体细胞 (G0:10) 相比，Neurogenin和FoxQ2a的表达水平最高，而与其他两个预测前体细胞簇 (G0:18,14) 相比，G0:10的Bra2表达水平最高。

图3.文昌鱼胚胎神经细胞发育轨迹

4.跨物种神经细胞类型的比较

研究人员分析了小鼠、斑马鱼、文昌鱼和其他物种的单细胞数据集，展示了脊椎动物神经系统的三种发育起源：一种在无脊椎动物中高度保守的FoxQ2依赖性前部机制、一种导致脊椎动物脊髓中更多后部神经元的保守性较低的途径以及一种仅限于脊索动物的指定 NMP 的机制。研究人员重点比对了文昌鱼神经前体细胞与斑马鱼神经前体细胞之间的相似性，支持了文昌鱼和脊椎动物之间在神经发育上的保守性。

图4. 跨物种神经细胞类型的比较

5.特定转录因子基因敲除(KO)后文昌鱼胚胎的神经细胞发育

为了进一步探究预测的中枢神经发育轨迹，研究人员针对Lhx3/4、Msxlx和FoxQ2a基因进行了敲除实验，并观察了敲除后胚胎中特定神经细胞标记基因的表达变化。这些结果揭示了这些转录因子在神经细胞分化和发育中的关键作用。

图5.特定转录因子基因敲除(KO)后文昌鱼胚胎的神经细胞发育

6.Brachyury基因敲除对文昌鱼神经发育的影响

此外，研究人员在文昌鱼尾芽中发现了一组NMP细胞，它们共同表达脊椎动物NMP标记SoxB1c和Bra2。在Brachyury双敲除胚胎中，神经基因表达从后神经和神经中胚层细胞簇“溢出”到一般尾芽簇，支持Brachyury转录因子可能介导抑制文昌鱼神经基因表达，与Brachyury抑制脊椎动物神经标记基因表达的功能一致。

图6. Brachyury基因敲除对文昌鱼神经发育的影响

结论

这项研究揭示了脊椎动物神经系统三大发育起源的复杂图谱：从深植于无脊椎动物中的FoxQ2依赖性机制，到脊椎动物脊髓中独特的、保守性较低的神经元发育路径，再到脊索动物独有的神经中胚层祖细胞特异性机制。这一系列发现不仅加深了我们对脊椎动物神经系统进化的理解，也为未来相关疾病的治疗与预防提供了新的视角和思路。

参考文献

Dai Y, Zhong Y, Pan R, et al. Evolutionary origin of the chordate nervous system revealed by amphioxus developmental trajectories. Nat Ecol Evol. Published online July 18, 2024. doi:10.1038/s41559-024-02469-7.

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