2月14日，我校翱翔戰(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)在動(dòng)物生態(tài)學(xué)領(lǐng)域的最新原創(chuàng)研究成果在《Nature Ecology & Evolution》（《自然·生態(tài)與進(jìn)化》）期刊發(fā)表。這是繼2024年8月該團(tuán)隊(duì)在該期刊發(fā)表的又一重要研究成果。
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(mǎn)挑戰(zhàn)的科學(xué)問(wèn)題之一?！禢ature Ecology & Evolution》（《自然·生態(tài)與進(jìn)化》）期刊連續(xù)發(fā)表了該團(tuán)隊(duì)關(guān)于脊椎動(dòng)物兩個(gè)重要器官——肺臟和肝臟起源演化的研究成果，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(guò)程中逐步形成的。
研究團(tuán)隊(duì)2021年在《CELL》雜志發(fā)表的研究顯示，肺與魚(yú)鰾同源，至少在硬骨魚(yú)祖先中初現(xiàn)雛形，并早于泥盆紀(jì)早期脊椎動(dòng)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(yú)與硬骨魚(yú)的共同祖先，但其具體起源節(jié)點(diǎn)仍未明確。為了解開(kāi)肺臟進(jìn)化之謎，團(tuán)隊(duì)對(duì)多種動(dòng)物的肺組織進(jìn)行了廣泛而細(xì)致的研究。
為了解開(kāi)肺臟進(jìn)化之謎，團(tuán)隊(duì)對(duì)多種動(dòng)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(cè)，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(shí)讓肺部上皮細(xì)胞（構(gòu)成肺壁的細(xì)胞）發(fā)揮專(zhuān)門(mén)功能，從而打造出一個(gè)高效的氣血交換平臺(tái)。有趣的是，雖然軟骨魚(yú)（例如鯊魚(yú)和鰩魚(yú)）體內(nèi)也具備構(gòu)建肺臟所需的基礎(chǔ)基因，但它們并沒(méi)有真正發(fā)展出肺臟。原因在于，這些基因在軟骨魚(yú)體內(nèi)已經(jīng)被用到了其他任務(wù)上。例如，本來(lái)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(yú)中卻主要負(fù)責(zé)免疫系統(tǒng)調(diào)控。
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(yú)祖先獨(dú)特的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。這一點(diǎn)的證據(jù)來(lái)自于對(duì)肺部特異性調(diào)控元件的詳細(xì)分析：在硬骨魚(yú)祖先中，有1040個(gè)專(zhuān)門(mén)調(diào)控肺臟發(fā)育的DNA序列，而在后來(lái)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(duì)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(yú)卻沒(méi)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(dòng)物呼吸系統(tǒng)起源于硬骨魚(yú)祖先的的一份新的、充滿(mǎn)說(shuō)服力的證據(jù)。
在后續(xù)的演化過(guò)程中，哺乳動(dòng)物通過(guò)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(dòng)了器官功能的完善。
研究團(tuán)隊(duì)還關(guān)注了標(biāo)志著脊椎動(dòng)物成為頂級(jí)捕食者的器官：肝臟。研究成果于2024年8月在《Nature Ecology & Evolution》雜志發(fā)表。
作為生命活動(dòng)的代謝中心，肝臟能高效處理和儲(chǔ)存營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，并具有解毒功能。通過(guò)詳細(xì)分析，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)文昌魚(yú)的肝盲囊和脊椎動(dòng)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(lái)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(dòng)物進(jìn)化過(guò)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(gè)例子，這次基因加倍促成了僅在脊椎動(dòng)物中出現(xiàn)的一類(lèi)特殊細(xì)胞——肝竇內(nèi)皮細(xì)胞。它們構(gòu)成了一個(gè)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(shí)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(gè)關(guān)鍵基因表現(xiàn)得非常活躍，其中有五個(gè)基因正是來(lái)源于那次全基因組加倍?；蚯贸龑?shí)驗(yàn)顯示，這些由基因加倍產(chǎn)生的基因（也稱(chēng)為ohnologues）通過(guò)分工協(xié)作，對(duì)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）通過(guò)基因復(fù)制和功能分化，實(shí)現(xiàn)了凝血反應(yīng)的精密控制；而在膽汁代謝過(guò)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(dòng)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)共同揭示了，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(dòng)器官功能的不斷復(fù)雜化和優(yōu)化。
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(dòng)結(jié)構(gòu)和功能的不斷優(yōu)化。無(wú)論是闡明肺臟形成時(shí)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(guò)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(dòng)物在漫長(zhǎng)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(lái)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)。
（文字：王堃、薛楊；審核：邱強(qiáng)、馬西平）
