在古老海葵中发现6亿年前的身体发育蓝图

大多数动物表现出两侧对称——一种具有头部和尾部、背部与腹部、左侧和右侧的身体结构。这种身体组织特征定义了一个庞大的类群，即两侧对称动物（Bilateria），包括脊椎动物、昆虫、软体动物和蠕虫等形态各异的动物。相比之下，刺胞动物（如海蜇和海葵）传统上被描述为辐射对称，海蜇确实如此。然而，海葵的情况则不同：尽管表面呈辐射状，它们其实是两侧对称的——最初在胚胎基因表达层面体现，成年后在解剖结构上也如此。这引发了一个根本性的进化问题：两侧对称是在两侧对称动物与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演化产生的？维也纳大学的研究人员通过研究刺胞动物体内是否已存在一种名为"BMP穿梭"的关键发育机制来解答这一问题。

发育中的穿梭机制

在两侧对称动物中，背腹轴是通过骨形态发生蛋白（BMPs）及其抑制剂Chordin构成的信号系统形成模式的。BMPs作为分子信使，告知胚胎细胞所处位置及应发育的组织类型。在两侧对称动物胚胎中，Chordin通过称为"局部抑制"的过程结合BMPs并阻断其活性。同时，在某些（但非全部）两侧对称动物胚胎模型中，Chordin还能将结合的BMPs转运至胚胎其他区域并再次释放——该机制被称为"BMP穿梭"。从海胆、果蝇到青蛙这些进化距离遥远的动物都使用BMP穿梭，然而此前尚不清楚它们究竟是独立演化出穿梭机制，还是从约6亿年前的最后一个共同祖先处继承而来。局部抑制和BMP穿梭共同在胚胎内形成BMP活性梯度。早期胚胎细胞感知此梯度，并根据BMP水平分化出不同命运。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，而腹部皮肤则在BMP信号最强区域形成。由此，身体从背部到腹部的布局得以确立。为探究Chordin介导的BMP穿梭是否代表背腹轴模式形成的祖先机制，研究人员必须观察两侧对称动物之外的两侧对称生物——海葵。

古老的蓝图

为验证海葵使用Chordin作为局部抑制剂还是穿梭载体，研究人员首先阻断了模式生物星状海葵（Nematostella vectensis）胚胎中Chordin的产生。在Nematostella中，与两侧对称动物不同，BMP信号传导需要Chordin存在。因此，缺乏Chordin时BMP信号传导停止，第二体轴无法形成。随后将Chordin重新引入胚胎局部区域，以观察能否恢复体轴形成。BMP信号传导确实恢复——但尚不清楚这是因为Chordin仅局部阻断BMPs（使梯度能从现有BMP源形成），还是它主动将BMPs运输至胚胎远端区域（更直接地塑造了梯度）。为解答此问题，研究者测试了两种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，固定型和可扩散型均能在胚胎对侧（远离Chordin产生细胞处）恢复BMP信号。然而，只有可扩散型Chordin能发挥BMP穿梭功能。结果明确：仅可扩散型能在远离源头处恢复BMP信号，证明Chordin在海葵中充当BMP穿梭载体——与其在果蝇和青蛙中的作用一致。

跨越6亿年进化的共享策略？

BMP穿梭机制在刺胞动物和两侧对称动物中的共存表明，该分子机制可追溯到二者约6-7亿年前的进化分歧时期。"并非所有两侧对称动物都使用Chordin介导的BMP穿梭，例如青蛙使用而鱼类则不。然而，穿梭机制反复出现在亲缘关系极远的动物中，使其成为祖先模式形成机制的有力候选者。两侧对称动物和海葵都利用穿梭机制塑造体轴的事实告诉我们，该机制极其古老，"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表示，"这为重新思考早期动物体型演化开启了令人兴奋的可能性。"

通讯作者、同系课题组负责人Grigory Genikhovich补充道："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体型的可能性。然而，倘若刺胞动物与两侧对称动物的最后共同祖先就是两侧对称生物，那么它极可能使用Chordin进行BMP穿梭以构建背腹轴。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（项目号P32705与M3291）。