6亿年前的身体蓝图在海葵中发现

大多数动物呈现两侧对称——这是一种具有头部和尾部、背部与腹部、左右两侧的身体结构。这种身体组织结构定义了一个庞大的类群，即两侧对称动物门（Bilateria），涵盖脊椎动物、昆虫、软体动物和蠕虫等多样性生物。相比之下，刺胞动物（如水母和海葵）传统上被描述为辐射对称，水母确实如此。然而海葵的情况有所不同：尽管表面呈现辐射对称，它们实际上具有两侧对称——首先体现在胚胎基因表达层面，成年后在解剖结构上亦然。这引发了一个根本的进化问题：两侧对称是起源于两侧对称动物门与刺胞动物门的共同祖先，还是在多个动物谱系中独立演化？维也纳大学的研究人员通过探究一种名为BMP穿梭的关键发育机制是否存在于刺胞动物中，对这一问题展开了研究。

发育中的穿梭机制

在两侧对称动物中，背腹轴由骨形态发生蛋白（BMPs）及其抑制剂Chordin构成的信号系统调控。BMPs作为分子信使，指导胚胎细胞定位自身位置并决定其分化组织类型。在两侧对称动物的胚胎中，Chordin通过"局部抑制"过程结合BMP并阻断其活性。同时，在部分（非全部）两侧对称动物胚胎模型中，Chordin还能将结合的BMPs运输至胚胎其他区域并释放——该机制被称为"BMP穿梭"。从海胆、果蝇到青蛙等演化距离遥远的动物均存在BMP穿梭现象，然而此前学界无法确定这是它们在约6亿年前从最后共同祖先继承的机制，还是独立演化形成的。局部抑制与BMP穿梭共同在胚胎内形成BMP活性梯度。早期胚胎细胞通过感知该梯度，依据BMP浓度水平向不同方向分化。例如在脊椎动物中：BMP信号最低处形成中枢神经系统，中等水平区域发育为肾脏，而BMP信号最强处则形成腹部皮肤。由此建立从背部到腹部的身体布局。为探究Chordin介导的BMP穿梭是否代表背腹轴模式的祖先机制，研究人员将目光转向两侧对称动物门外的两侧对称生物——海葵。

古老的发育蓝图

为验证海葵使用Chordin作为局部抑制剂还是穿梭载体，研究人员首先在模式生物星状海葵（Nematostella vectensis）胚胎中阻断Chordin生成。与两侧对称动物门不同，星状海葵的BMP信号传导依赖Chordin存在。因此缺乏Chordin时，BMP信号终止且第二体轴形成失败。随后将Chordin重新引入胚胎局部区域，观察其能否恢复体轴形成。BMP信号虽恢复激活——但这无法区分是由于Chordin局部阻断BMPs（使现有BMP源形成梯度）还是其主动将BMPs运输至胚胎远端（直接塑造梯度）。为解答此问题，研究测试了两种Chordin变体：一种膜结合型（不可移动），另一种可扩散型。若Chordin仅作为局部抑制剂，固定型和扩散型均应能在胚胎对侧恢复BMP信号。然而只有可扩散型Chordin能实现BMP穿梭。结果明确显示：仅可扩散型能在远离其源头的区域恢复BMP信号，证明海葵中Chordin起到BMP穿梭载体作用——与果蝇和青蛙中的机制一致。

跨越6亿年演化的共同策略？

BMP穿梭在刺胞动物与两侧对称动物中的共存表明，该分子机制可追溯至二者约6-7亿年前的演化分化时期。"并非所有两侧对称动物都使用Chordin介导的BMP穿梭，例如青蛙有此机制而鱼类则无。但穿梭机制在亲缘关系极远的动物中反复出现，使其成为祖先模式机制的强有力候选。海葵与两侧对称动物均利用穿梭机制塑造体轴的事实，告诉我们这种机制极其古老，"该研究第一作者、维也纳大学神经科学与发育生物学系博士后David Mörsdorf阐述，"这为重新思考早期动物身体结构演化开启了激动人心的可能。"

通讯作者、同系课题组组长Grigory Genikhovich补充："我们或许永远无法排除两侧对称动物与两侧对称刺胞动物独立演化出两侧对称身体结构的可能性。但若刺胞动物门与两侧对称动物门的最后共同祖先本身就是两侧对称动物，它很可能利用Chordin运输BMPs以构建背腹轴。我们的新研究证实了这一点。"

本研究获奥地利科学基金（FWF）资助，项目编号P32705和M3291。