尽管经历了2000万年的进化分离，两种微小蠕虫在基因激活与抑制模式上仍展现出惊人的相似性。科学家绘制了发育过程中每个细胞的活动图谱，发现控制肌肉和消化等基础功能的基因基本保持不变，而与感知环境或类脑功能相关的基因则表现出更多变异。这种物种间细胞级别的高分辨率比较，可能有助于破解生命在无需改变外观的情况下如何进化与适应的奥秘。
该发现发表于6月19日的Science期刊。
"如此大的进化距离下竟能观察到基因表达模式的高度一致性，这非常了不起，"论文共同资深作者、西雅图华盛顿大学医学院基因组科学教授Robert Waterston博士表示，"所有数据的高度吻合令我惊讶。"
Waterston指出，当基因表达改变可能影响多种细胞类型时，其模式往往保持不变——进化生物学家称之为保守性。
"若基因在生物体多种细胞类型中广泛表达，其表达模式可能难以改变，"他解释道，"但若表达仅限于单种或少数细胞类型，则更易产生变异。"
当两种蠕虫的基因表达出现分化时，变化更易发生于特化细胞类型。例如，肌肉或肠道等基础功能相关的细胞表达模式趋于保守，而感知和响应环境等特化细胞的表达模式更易分化。
"例如神经功能相关基因似乎分化更快——可能是为适应新环境所需——但这目前仅是推测，"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博士毕业于华盛顿大学医学院基因组科学专业。
研究中，科学家比较了两种土壤线虫秀丽隐杆线虫与布氏隐杆线虫的基因表达模式。两者均为发育研究的理想模型：体长约1毫米；结构简单（成熟个体约含550个细胞）；通体透明。这些特性使科学家能实时观测细胞分裂发育。重要的是，它们约20,000个基因中有许多与人类等复杂生物共享。
两种蠕虫的所有细胞均已完成鉴定与图谱绘制。尽管经历2000万年进化，其身体构造和细胞类型仍高度一致，近乎一一对应的关系使其成为比较研究的理想对象。
本研究旨在对比两种蠕虫每种细胞类型的基因表达，追溯它们从共同祖先分化后的演化轨迹。
研究者采用单细胞RNA测序技术，测量了胚胎发育各阶段每个细胞的信使RNA水平。
信使RNA（mRNA）将活性基因的蛋白质合成指令传递给细胞蛋白质制造系统。某基因的mRNA水平越高，表明其活性越强；反之则处于失活状态。
通过单细胞RNA测序，研究人员追踪了线虫胚胎发育过程中单个细胞的变化——从含28个未分化细胞的胚胎球阶段，到多数细胞类型定型（约12小时）的全程演变。
"我们自1970年代起持续研究发育进化，"论文共同资深作者、宾夕法尼亚大学生物学教授兼Penn Genome Frontiers研究所所长Junhyong Kim博士表示，"但这是首次能在两种生物体的每个单细胞层面进行发育比较。"
Kim指出，鉴于两种蠕虫身体结构的高度相似性，部分基因表达的保守性并不意外。但令人惊讶的是，即使发生改变，这些变化似乎也未影响身体构造。
论文第三资深作者、佩雷尔曼医学院遗传学副教授John Isaac Murray博士表示，该研究揭示了物种间基因表达模式的时空差异，但其成因尚待阐明。
"难以判定观察到的差异是源于进化适应，还是遗传漂变的随机结果，"他指出，"但此方法将助力探索诸多未解的进化之谜。"
本研究获美国国立卫生研究院（HD105819, HG010478, HG007355）及美国国家科学基金会（PRFB2305513）资助。