定格于时光：透明蠕虫两千万年保持基因同步

这项发现发表在6月19日的《科学》(Science)杂志上。

"这简直非同寻常，在如此遥远的进化距离下，我们竟然能看到基因表达模式如此高度一致，"论文共同资深作者、西雅图华盛顿大学医学院基因组科学系教授Robert Waterston博士表示。"所有一切都排列得如此完美，这令我感到惊讶。"

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

"如果基因在生物体的多种细胞类型中广泛表达，改变其表达可能会很困难，"他解释道。"但如果基因表达仅限于单一或少数几种细胞类型，改变或许就能成功。"

当两种蠕虫间的基因表达确实出现差异时，变化更倾向于发生在特化的细胞类型中。例如，参与肌肉或肠道等基本功能的细胞其表达模式往往保守，而参与感知和响应蠕虫环境的更特化细胞，其表达模式则更易产生分歧。

"例如，与神经元功能相关的基因似乎分歧得更快——可能是因为需要适应新环境而发生变化——但目前这只是推测，"论文第一作者、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表示。Large在华盛顿大学医学院获得基因组科学博士学位。

研究中，科研人员比较了两种土壤线虫——秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis elegans) 和布氏隐杆线虫(Caenorhabditis briggsae)——的基因表达模式。这两种生物都是研究发育的理想模型：体型微小（约1毫米长），结构简单（完全发育后约由550个细胞组成），且通体透明。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，这两种蠕虫各自约20,000个基因中的许多基因与包括人类在内的更复杂生物共享。

两种蠕虫的所有细胞均已被鉴定并绘制图谱。尽管经历了2000万年的进化，这两种蠕虫仍保持着几乎相同的身体结构和细胞类型，其近乎一一对应的关系使其成为理想的比较研究对象。

该研究旨在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，研究人员采用单细胞RNA测序技术，测量了胚胎发育各阶段中每个细胞的信使RNA水平。

信使RNA（mRNA）负责将活性基因的蛋白质合成指令传递给细胞的蛋白质制造机制。某个基因的高mRNA水平表明其处于活跃状态，低水平则意味着其处于非活跃状态。

借助单细胞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：从胚胎为28个细胞组成的、大部分未分化细胞团开始，到大多数细胞类型发育成接近最终形态为止——这个过程大约需要12小时。

"自20世纪70年代以来，我们一直在研究发育的进化，"研究共同资深作者、生物学教授兼宾大基因组前沿研究所主任Junhyong Kim博士表示。"但这是我们首次能够在两种不同生物体的每一个单细胞水平上比较发育过程。"

Kim表示，部分基因表达具有保守性的发现并不意外，因为两种蠕虫的身体结构非常相似。但令人惊讶的是，当变化发生时，这些变化似乎对身体结构没有影响。

该研究第三资深作者、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及何时出现差异，但尚未解释其原因。

"很难确定我们观察到的差异是由进化适应所致，还是仅仅是遗传漂变（即随机发生的变化）的结果，"他表示。"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。