一组科学家对从人类到有袋动物的六种不同哺乳动物的妊娠进行了研究，揭示了母婴界面处的某些细胞是如何协作超过一亿年的。通过绘制这些细胞的基因活性图谱，他们发现妊娠不仅仅是母体与胎儿之间的对抗，往往更是一种精心协调的合作关系。这些古老的细胞相互作用——包括激素分泌和营养共享——是为了支持更长、更复杂的妊娠而进化的，可能有助于解释人类妊娠为何呈现如今的运作方式。
能够维持足够长时间以支持胎儿完全发育的妊娠，是胎盘哺乳动物——包括人类在内的一个类群——的一项标志性进化突破。其核心在于胎儿-母体界面：这是子宫内婴儿胎盘与母亲子宫相遇的部位，也是两个基因截然不同的生物体——母亲和胎儿——进行密切接触和持续互动的地方。这一界面必须达成一种微妙的平衡：既要足够亲密以交换营养物质和信号，又要受到足够的保护以防止母体免疫系统排斥基因上“异己”的胎儿。
为了揭示这一复杂结构背后的起源和机制，研究团队分析了代表哺乳动物进化树关键分支的六个哺乳动物物种的单细胞转录组——即单个细胞中活跃基因的快照。这些物种包括小鼠和豚鼠（啮齿动物）、猕猴和人类（灵长类动物），以及两种更不寻常的哺乳动物：无尾猬（一种早期胎盘哺乳动物）和负鼠（一种在胎盘哺乳动物进化出复杂胎盘之前就从该谱系分离出去的有袋类动物）。
细胞级的“哺乳动物妊娠图谱”
通过分析胎儿-母体界面的细胞，研究人员能够追溯所涉及的关键细胞类型的进化起源和多样化。他们的重点是两个主要角色：胎盘细胞（源自胎儿并侵入母体组织）和子宫基质细胞（源自母体并对这种侵入做出反应）。
利用分子生物学工具，团队识别出了独特的基因特征——即特定细胞类型及其特化功能独有的基因活动模式。值得注意的是，他们发现了一种与胎儿胎盘细胞侵入行为相关的基因特征，该特征在哺乳动物中已保守了超过1亿年。这一发现挑战了侵入性胎盘细胞是人类独有的传统观点，并揭示出它们实际上是哺乳动物进化中一个深度保守的特征。在此期间，母体细胞也并非静止不变。研究发现，胎盘哺乳动物（而非有袋类动物）获得了新的激素产生形式，这是迈向延长妊娠和复杂孕期的关键一步，也是胎儿和母亲可能正在驱动彼此进化的一个迹象。
细胞对话：介于合作与冲突之间
为了更好地理解胎儿-母体界面的功能，这项研究验证了关于母胎之间细胞通讯进化的两个具有影响力的理论。
第一个是“消歧假说”，该假说预测在进化过程中，激素信号被明确分配给胎儿或母亲——这可能是确保清晰度和防止操纵的一种保障机制。结果证实了这一观点：某些信号，包括WNT蛋白、免疫调节剂和类固醇激素，可以清晰地追溯到一个来源组织。
第二个是“升级假说”（或“基因组冲突”），该假说认为母体和胎儿基因之间存在进化的军备竞赛——例如，胎儿增强生长信号，而母体一方则试图抑制这些信号。这种模式在少数基因中被观察到，特别是调节生长的IGF2基因。总体而言，证据指向了微调后的合作信号传导。
“这些发现表明，进化可能比我们之前假设的更倾向于母亲和胎儿之间的协调，”该研究的第一作者、现任维也纳大学进化生物学系研究员的Daniel J. Stadtmauer说，“所谓的母胎权力斗争似乎仅限于特定的基因区域。与其问妊娠整体上是冲突还是合作，一个更有用的问题可能是：冲突在哪里？”
单细胞分析：进化发现的关键
该团队的发现得益于结合了两种强大的工具：单细胞转录组学——捕捉单个细胞中基因的活性——以及进化建模技术，该技术帮助科学家重建早已灭绝的祖先的性状可能是什么样子。通过将这些方法应用于细胞类型及其基因活动，研究人员能够模拟不同物种中细胞的通讯方式，甚至得以一窥这种对话在数百万年间是如何进化的。
“我们的方法为复杂生物系统的进化打开了一扇新窗口——从单个细胞到整个组织，”维也纳大学的联合第一作者兼研究员Silvia Basanta说。这项研究不仅阐明了妊娠是如何进化的，还提供了一个在细胞水平上追踪进化创新的新框架——这些见解有朝一日可能会改善我们对妊娠相关并发症的理解、诊断或治疗。
这项研究是在维也纳大学进化生物学系Mihaela Pavličev的实验室和耶鲁大学Günter Wagner的实验室进行的。Wagner是耶鲁大学的名誉教授，也是维也纳大学的高级研究员。该研究得到了约翰·坦普顿基金会和奥地利科学基金（FWF）的支持。