6亿年前的身体蓝图在海葵中被发现

大多数动物表现出双侧对称性——这是一种具有头部和尾部、背部和腹部、以及左右两侧的身体构造。这种身体结构是被称为两侧对称动物（Bilateria）的庞大类群的特征，该类群包括脊椎动物、昆虫、软体动物和蠕虫等多样性极高的动物。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，海葵的情况则不同：尽管表面上是辐射对称，但它们实际上是双侧对称的——首先体现在胚胎中的基因表达水平，随后在成体的解剖结构上也如此。这引发了一个根本的进化问题：双侧对称性是在两侧对称动物和刺胞动物的共同祖先中出现的，还是在多个动物谱系中独立进化而来？维也纳大学的研究人员通过研究一种称为BMP穿梭的关键发育机制是否已在刺胞动物中存在，探讨了这个问题。

用于发育的穿梭机制

在两侧对称动物中，背腹轴的模式是由一个涉及骨形态发生蛋白（BMPs）及其抑制剂Chordin的信号系统塑造的。BMPs作为分子信使，告知胚胎细胞它们所处的位置以及应发育成何种组织。在两侧对称动物的胚胎中，Chordin结合BMPs并阻断其活性，这一过程称为“局部抑制”。同时，在某些（但非全部）两侧对称动物的胚胎模型中，Chordin还可将结合的BMPs转运至胚胎的其他区域，并在那里再次释放——这一机制被称为“BMP穿梭”。海胆、果蝇和青蛙等进化关系遥远的动物都使用BMP穿梭机制，然而，直到现在仍不清楚它们是独立进化出了穿梭机制，还是从大约6亿年前的最后共同祖先那里继承而来。局部抑制和BMP穿梭都在胚胎中形成了BMP活性的浓度梯度。早期胚胎中的细胞感知这一梯度，并根据BMP水平采取不同的命运。例如，在脊椎动物中，中枢神经系统在BMP信号最低处形成，肾脏在中等BMP信号水平处发育，而腹部的皮肤则在BMP信号最强处形成。这样，从背到腹的身体布局便确立了。为了查明Chordin介导的BMP穿梭是否代表了一种塑造背腹轴的祖先机制，研究人员必须观察两侧对称动物之外的、具有双侧对称性的动物——海葵。

古老的蓝图

为了测试海葵是将Chordin用作局部抑制剂还是穿梭载体，研究人员首先阻断了模式海葵物种——星状海葵（Nematostella vectensis）胚胎中的Chordin生成。在星状海葵中，与两侧对称动物不同，BMP信号传导需要Chordin的存在，因此，没有Chordin，BMP信号传导停止，第二条身体轴的形成失败。随后，研究人员将Chordin重新引入胚胎的一小部分，观察其是否能恢复体轴的形成。BMP信号传导恢复了——但尚不清楚这是因为Chordin仅在局部阻断了BMPs，允许从现有的BMP源形成浓度梯度，还是因为它主动将BMPs转运至胚胎的远端区域，从而更直接地塑造了梯度。为了解答这个问题，研究人员测试了两种版本的Chordin——一种是膜结合且不可移动的，另一种是可扩散的。如果Chordin仅作为局部抑制剂，那么不可移动和可扩散的Chordin都应在胚胎中远离Chordin生成细胞的一侧恢复BMP信号传导。然而，只有可扩散的Chordin才能充当BMP穿梭载体。结果很明确：只有可扩散的形式能够在远离其来源的位置恢复BMP信号传导，这表明Chordin在海葵中起着BMP穿梭载体的作用——正如它在果蝇和青蛙中所扮演的角色一样。

跨越6亿余年进化的共享策略？

BMP穿梭机制在刺胞动物和两侧对称动物中都存在，表明这一分子机制早于它们在大约6-7亿年前的进化分化。该研究的第一作者、维也纳大学神经科学与发育生物学系博士后研究员David Mörsdorf说：“并非所有两侧对称动物都使用Chordin介导的BMP穿梭，例如，青蛙使用，但鱼类不使用。然而，穿梭机制似乎在亲缘关系非常遥远的动物中反复出现，这使其成为一个优秀的祖先模式形成机制的候选者。不仅两侧对称动物，连海葵也使用穿梭机制来塑造其体轴，这一事实告诉我们，该机制极其古老。这为重新思考早期动物身体构造如何演化开辟了令人兴奋的可能性。”

该研究的资深作者、同部门的课题组负责人Grigory Genikhovich补充道：“我们可能永远无法排除两侧对称动物和双侧对称的刺胞动物独立进化出双侧身体构造的可能性。然而，如果刺胞动物和两侧对称动物的最后共同祖先是一种双侧对称的动物，那么它很可能使用了Chordin来转运BMPs以形成其背腹轴。我们的新研究证实了这一点。”

该研究得到了奥地利科学基金（FWF）的资助，项目号P32705和M3291。