我國學(xué)者又破解脊椎動物肺臟起源演化之謎 繼從基因和分子水平揭示肝臟的演化形成之后

器官的起源和演化一直是生命科學(xué)領(lǐng)域最為基礎(chǔ)而又充滿挑戰(zhàn)的科學(xué)問題之一。2月14日，西北工業(yè)大學(xué)翱翔戰(zhàn)略團(tuán)隊(duì)生態(tài)環(huán)境學(xué)院王堃、邱強(qiáng)和王文教授團(tuán)隊(duì)在《自然·生態(tài)與進(jìn)化》（Nature Ecology & Evolution）期刊繼2024年8月發(fā)表標(biāo)志著脊椎動物成為頂級捕食者的器官——肝臟的演化形成研究論文后，再次發(fā)表該研究團(tuán)隊(duì)關(guān)于脊椎動物重要器官——肺臟起源演化的研究成果，連續(xù)從基因和分子水平揭示了這些復(fù)雜器官是如何在演化過程中逐步形成的。

該研究團(tuán)隊(duì)2021年在《細(xì)胞》（CELL）雜志發(fā)表的研究顯示，肺與魚鰾同源，至少在硬骨魚祖先中初現(xiàn)雛形，并早于泥盆紀(jì)早期脊椎動物登陸事件。另一方面，一些化石記錄、發(fā)育模式和分子數(shù)據(jù)則暗示，肺可能起源于軟骨魚與硬骨魚的共同祖先，但其具體起源節(jié)點(diǎn)仍未明確。

為了解開肺臟進(jìn)化之謎，該團(tuán)隊(duì)對多種動物的肺組織進(jìn)行了廣泛而細(xì)致的研究。

為了解開肺臟進(jìn)化之謎，該研究團(tuán)隊(duì)對多種動物的肺組織進(jìn)行了廣泛而細(xì)致的研究。研究發(fā)現(xiàn)，肺臟的形成其實(shí)遵循了一套“遺傳控制系統(tǒng)”，就好比一本詳細(xì)的操作手冊，指導(dǎo)細(xì)胞如何協(xié)同工作：這套系統(tǒng)指揮著細(xì)胞如何排列成復(fù)雜的血管分支，同時讓肺部上皮細(xì)胞（構(gòu)成肺壁的細(xì)胞）發(fā)揮專門功能，從而打造出一個高效的氣血交換平臺。有趣的是，雖然軟骨魚（例如鯊魚和鰩魚）體內(nèi)也具備構(gòu)建肺臟所需的基礎(chǔ)基因，但它們并沒有真正發(fā)展出肺臟。原因在于，這些基因在軟骨魚體內(nèi)已經(jīng)被用到了其他任務(wù)上。例如，本來在肺中用于降低表面張力、幫助呼吸的表面活性蛋白基因，在軟骨魚中卻主要負(fù)責(zé)免疫系統(tǒng)調(diào)控。

他們進(jìn)一步的研究顯示，真正促成肺臟形成的關(guān)鍵在于硬骨魚祖先獨(dú)特的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。這一點(diǎn)的證據(jù)來自于對肺部特異性調(diào)控元件的詳細(xì)分析：在硬骨魚祖先中，有1040個專門調(diào)控肺臟發(fā)育的DNA序列，而在后來失去了肺臟功能的生物，如某些蠑螈中，這些序列大多消失了，相比之下，較早期的調(diào)控元件則相對保持不變。這一發(fā)現(xiàn)不僅解釋了為什么擁有相關(guān)基因的軟骨魚卻沒有演化出真正的肺臟，也與最新的化石研究結(jié)果互為佐證，提供了關(guān)于脊椎動物呼吸系統(tǒng)起源于硬骨魚祖先的的一份新的、充滿說服力的證據(jù)。

在后續(xù)的演化過程中，哺乳動物通過獲得新的基因，發(fā)展出了更精密的肺泡結(jié)構(gòu)，提高了氣體交換效率。這表明，器官的演化既需要重組現(xiàn)有的基因網(wǎng)絡(luò)，也需要獲得新的基因，兩種方式共同推動了器官功能的完善。

該研究團(tuán)隊(duì)還關(guān)注了標(biāo)志著脊椎動物成為頂級捕食者的器官：肝臟，其研究成果曾于2024年8月在Nature Ecology & Evolution雜志發(fā)表。

作為生命活動的代謝中心，肝臟能高效處理和儲存營養(yǎng)物質(zhì)，并具有解毒功能。通過詳細(xì)分析，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)文昌魚的肝盲囊和脊椎動物的肝臟在細(xì)胞組成和基因表達(dá)上有驚人的相似性。這表明，它們實(shí)際上來自相同的進(jìn)化起源，可以視為同源器官。進(jìn)一步的研究顯示，脊椎動物進(jìn)化過程中經(jīng)歷了兩次全基因組加倍（2R-WGD），這種基因“加倍”的現(xiàn)象大大促進(jìn)了肝臟功能的復(fù)雜化。舉個例子，這次基因加倍促成了僅在脊椎動物中出現(xiàn)的一類特殊細(xì)胞——肝竇內(nèi)皮細(xì)胞。它們構(gòu)成了一個低阻力、高滲透性的血管網(wǎng)絡(luò)，不僅提高了體內(nèi)養(yǎng)分與廢物的交換效率，同時在解毒、免疫防御和組織再生中也扮演著關(guān)鍵角色。更有意思的是，在肝竇內(nèi)皮細(xì)胞中，有九個關(guān)鍵基因表現(xiàn)得非?；钴S，其中有五個基因正是來源于那次全基因組加倍。基因敲除實(shí)驗(yàn)顯示，這些由基因加倍產(chǎn)生的基因（也稱為ohnologues）通過分工協(xié)作，對肝竇內(nèi)皮細(xì)胞的發(fā)育起到了精細(xì)調(diào)控的作用，從而幫助構(gòu)建了肝臟復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)及其出色的再生能力。

此外，新基因的出現(xiàn)貫穿了肝臟核心功能系統(tǒng)的進(jìn)化歷程。例如，在凝血系統(tǒng)中，關(guān)鍵因子，如凝血酶原和纖維蛋白原是通過基因復(fù)制和功能分化而實(shí)現(xiàn)了凝血反應(yīng)的精密控制；而在膽汁代謝過程中，隨著古老途徑與新替代途徑的不斷完善，最終在羊膜動物中建立起了一套完整的膽固醇代謝調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。

這些發(fā)現(xiàn)共同揭示，新基因在器官進(jìn)化中發(fā)揮了雙重作用：它們既能作為生化反應(yīng)的核心成分直接參與功能實(shí)現(xiàn)，也能作為調(diào)控節(jié)點(diǎn)，重塑細(xì)胞之間的互作網(wǎng)絡(luò)，推動器官功能的不斷復(fù)雜化和優(yōu)化。

生物進(jìn)化研究領(lǐng)域相關(guān)專家認(rèn)為，這些研究成果展示了器官進(jìn)化中的基因調(diào)控和新基因創(chuàng)新如何推動結(jié)構(gòu)和功能的不斷優(yōu)化。無論是闡明肺臟形成時特定基因網(wǎng)絡(luò)的調(diào)控機(jī)制，還是揭示肝臟在全基因組加倍作用下如何通過基因功能分化實(shí)現(xiàn)復(fù)雜化，這些發(fā)現(xiàn)都為我們理解脊椎動物在漫長進(jìn)化歷程中如何適應(yīng)環(huán)境提供了新的視角，也為未來生物醫(yī)學(xué)與進(jìn)化生物學(xué)領(lǐng)域的研究奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。