时间冻结：透明蠕虫保持基因同步长达2000万年

研究结果发表在6月19日的期刊Science（《科学》）上。

"这实在太惊人了，在如此大的进化距离下，我们竟然能看到基因表达模式如此一致，"论文共同资深作者、西雅图华盛顿大学医学院基因组科学教授Robert Waterston博士说，"我对一切都如此吻合感到惊讶。"

Waterston指出，当改变可能影响多种细胞类型时，基因表达模式倾向于保持不变——进化生物学家称之为保守性。

"如果一个基因在生物体的多种细胞类型中广泛表达，改变其表达可能很困难，"他说，"但如果基因表达仅限于单一或少数几种细胞类型，或许改变就能成功。"

当两种蠕虫间的基因表达确实出现差异时，变化更可能发生在特化的细胞类型中。例如，涉及肌肉或肠道等基本功能的细胞表达模式往往是保守的，而涉及感知和响应蠕虫环境的更特化细胞的表达模式则更可能产生差异。

"比如，与神经元功能相关的基因似乎分化得更快——也许是为了适应新环境所需——但目前这只是推测，"该论文的第一作者、宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院遗传学系博士后Christopher R. L. Large说。Large在华盛顿大学医学院获得基因组科学博士学位。

研究中，研究人员比较了两种土壤线虫Caenorhabditis elegans（秀丽隐杆线虫）和Caenorhabditis briggsae（布氏隐杆线虫）的基因表达模式。这两种物种都是研究发育的理想模型：体型微小（约1毫米长）；结构简单（完全发育后由约550个细胞组成）；且透明。这些特性使科学家能够实时观察其细胞分裂和发育过程。重要的是，这些蠕虫拥有的大约20,000个基因中有许多与更复杂的生物（包括人类）共享。

两种蠕虫的所有细胞都已被识别和绘制图谱。尽管经历了2000万年的进化，它们仍保持着几乎相同的身体结构和细胞类型，近乎一一对应的关系使其成为理想的比较研究对象。

该研究的目标是比较两种蠕虫每种细胞类型的基因表达，以确定自它们从共同祖先分化以来发生了哪些变化。

为此，研究人员采用了一种称为单细胞RNA测序的技术，在胚胎发育的不同阶段测量了每个细胞的信使RNA水平。

信使RNA（mRNA）负责将活性基因制造蛋白质的指令传递到细胞的蛋白质制造机器。某个基因产生的mRNA水平高表明该基因处于活跃状态，水平低则表示不活跃。

利用单细胞RNA测序技术，研究人员追踪了蠕虫胚胎发育过程中单个细胞的变化——从胚胎是一个由28个大部分未分化细胞组成的球体，到大多数细胞类型发育成接近最终形态（此过程约需12小时）。

"自20世纪70年代以来，我们一直在研究发育的进化，"该研究的共同资深作者、生物学教授兼宾夕法尼亚大学基因组前沿研究所所长Junhyong Kim博士说，"但这是我们首次能够在两种不同生物的每一个单细胞水平上比较它们的发育过程。"

Kim表示，发现某些基因表达具有保守性并不意外，因为这两种蠕虫的身体结构非常相似。但令人惊讶的是，当发生改变时，这些改变似乎对身体结构没有产生影响。

该研究的第三位资深作者、佩雷尔曼医学院遗传学副教授John Isaac Murray博士指出，研究描述了物种间基因表达模式在何处以及何时出现差异，但尚未解释其原因。

"很难说我们观察到的差异是源于进化适应，还是仅仅是遗传漂变（即随机发生的改变）的结果，"他说，"但这种方法将使我们能够探索许多关于进化的未解之谜。"

本研究由美国国立卫生研究院（HD105819, HG010478, HG007355）和美国国家科学基金会（PRFB2305513）资助。