海星不尋常的五軸對稱長期以來困擾著我們對動物進化的理解。鳴謝:uux.cn/陳·扎克伯格生物中心
（神秘的為海地球uux.cn）據(jù)陳·扎克伯格：幾個世紀以來，博物學家一直困惑于海星的星沒星頭部是由什么構(gòu)成的，海星通常被稱為“海星”當你看一條蟲子或一條魚時，但海很清楚哪一端是長期頭，哪一端是人們尾。但是為海由于它們有五個相同的手臂——其中任何一個都可以率先推動海星穿過海底——任何人都無法猜測如何從背部確定有機體的前端。這種不尋常的星沒星身體結(jié)構(gòu)讓許多人認為海星可能根本沒有頭。
但現(xiàn)在，但海由舊金山研究人員陳·扎克伯格生物中心領(lǐng)導的長期斯坦福大學和加州大學伯克利分校的實驗室發(fā)表了一項研究，發(fā)現(xiàn)事實更接近于絕對相反。人們簡而言之，為海雖然研究小組在幼年海星的星沒星幾乎所有地方都檢測到了與頭部發(fā)育相關(guān)的基因簽名，但編碼動物軀干和尾部的但海基因表達卻基本缺失。
研究人員利用各種高科技分子和基因組技術(shù)來了解不同基因在海星發(fā)育和生長過程中的表達位置。南安普敦的一個團隊使用微CT掃描以前所未有的細節(jié)了解了動物的形狀和結(jié)構(gòu)。
在另一個令人驚訝的發(fā)現(xiàn)中，通常與頭部最前面部分相關(guān)的分子信號被定位在每個海星臂的中間，這些信號朝著臂的邊緣逐漸變得越來越靠后。
發(fā)表在11月1日《自然》雜志上的這項研究表明，海星遠非無頭，而是在進化過程中失去了身體，變成了僅有的頭。
“這就好像海星完全失去了一個軀干，最好描述為只是一個沿著海底爬行的頭，”博士后學者兼新研究的第一作者洛朗·福爾米說。"這根本不是科學家們對這些動物的假設(shè)。"
這項研究的三位共同資深作者中的兩位，斯坦福大學的海洋和發(fā)育生物學家克里斯托弗·洛和加州大學伯克利分校的動物物種分子進化專家丹尼爾·洛克薩爾，已經(jīng)合作了十年。
星形拼圖
幾乎所有的動物，包括人類，都是左右對稱的，這意味著它們可以沿著從頭部到尾部的單一軸線分成鏡像的兩半。1995年，諾貝爾生理學或醫(yī)學獎授予了三位科學家，他們利用果蠅證明了大多數(shù)動物的頭至尾的雙側(cè)身體結(jié)構(gòu)是由一系列分子開關(guān)的作用產(chǎn)生的，這些分子開關(guān)由基因編碼，在特定的頭部和軀干區(qū)域表達。
研究人員已經(jīng)證實，絕大多數(shù)動物物種都有相同的遺傳程序，包括人類和魚類等脊椎動物，以及昆蟲和蠕蟲等許多無脊椎動物。
但是海星的身體結(jié)構(gòu)一直困擾著科學家對動物進化的理解。成年海星——以及相關(guān)的棘皮動物，如海膽和海參——沒有顯示出兩側(cè)對稱，而是有五重對稱軸，沒有清晰的頭部或尾部。沒有人能夠確定基因編程是如何驅(qū)動這種不尋常的五重對稱的。
一些科學家提出，在海星中，頭尾軸可能從動物的裝甲背部延伸到腹部，腹部覆蓋著所謂的管足。其他人認為，海星的五條手臂中的每一條都對應(yīng)著一條傳統(tǒng)的頭尾軸。
然而，最終確認這些假設(shè)的努力面臨著挑戰(zhàn)，這主要是因為主要在老鼠和蒼蠅等少數(shù)模式生物中開發(fā)的檢測基因表達的方法，在年輕的海星組織中并不適用。多年來，Lowe和他的同事一直渴望通過繪制發(fā)育中的海星的遺傳活動圖，將遺傳信息應(yīng)用于這個問題。但是，如果沒有經(jīng)過幾十年的研究為典型的模式生物開發(fā)的復雜的遺傳工具包，這樣一個全面的分析是令人生畏的。
改變游戲規(guī)則的技術(shù)
Lowe在Biohub調(diào)查人員的一次定期舊金山會議上遇到了這個問題的解決方案，另一名研究人員建議他聯(lián)系PacBio，這是一家位于硅谷的公司，生產(chǎn)基因組測序設(shè)備。在過去的五年里，PacBio一直在完善一項技術(shù)，利用郵票大小的芯片對大量遺傳物質(zhì)進行測序，芯片上擠滿了數(shù)百萬個單獨的化學反應(yīng)器，每個反應(yīng)器都被啟動，以同時讀取內(nèi)部捕獲的長段DNA。
與傳統(tǒng)測序不同，傳統(tǒng)測序需要將遺傳物質(zhì)切成小塊以確保準確性，PacBio的方法稱為HiFi測序，可以從完整的基因大小的DNA鏈中提取高度準確的數(shù)據(jù)，使這一過程更快、更便宜。這正是Lowe和他的團隊從頭開始建立研究海星基因的過程所需要的。
“這種需要幾個月才能完成的測序現(xiàn)在可以在幾個小時內(nèi)完成，比五年前便宜幾百倍，”大衛(wèi)·蘭克說，他也是這項新研究的共同高級作者，也是前PacBio科學研究員。“這些進展意味著我們可以從一種通常不在實驗室研究的有機體中基本上從頭開始，并進行詳細的研究，這在10年前是不可能的。”
這項技術(shù)使研究人員能夠?qū)Ｐ堑幕蚪M進行測序，并采用一種稱為空間轉(zhuǎn)錄組學的方法，通過這種方法，他們可以確定哪些海星基因在生物體內(nèi)的精確位置是活躍的。為了尋找表明頭尾軸的模式，研究人員檢查了身體三個不同方向的基因表達差異:從海星的中心到它的臂尖，從它的頂部到它的下腹部，以及從它的臂的一側(cè)邊緣到另一側(cè)。
然后，為了更近距離地觀察某些關(guān)鍵基因是如何表現(xiàn)的，他們用熒光染料逐一標記它們，以創(chuàng)建它們在海星體內(nèi)分布的詳細地圖。
研究人員發(fā)現(xiàn)，海星身體平面結(jié)構(gòu)的兩個突出假設(shè)都不正確。相反，他們發(fā)現(xiàn)人類和其他雙側(cè)對稱動物前腦的基因表達位于海星手臂的中線，而人類中腦的基因表達則位于手臂的外緣。
雖然標記人類和其他雙邊動物頭部不同區(qū)域的基因在海星中表達，但只有一種通常與動物軀干相關(guān)的基因在海星手臂的邊緣表達。
“這些結(jié)果表明，棘皮動物，特別是海星，擁有我們今天所知的頭部和軀干區(qū)域分離的最引人注目的例子，”Formery說，并補充說，化石記錄中保存的一些長相怪異的海星祖先似乎確實有一個軀干。“這只是開啟了我們現(xiàn)在可以開始探索的大量新問題。”

通過用熒光標記染色遺傳物質(zhì)，研究人員可以檢查關(guān)鍵基因在海星體內(nèi)的表現(xiàn)。信用:uux.cn/洛朗·福里
通往新發(fā)現(xiàn)的大門
該團隊希望下一步解決的問題包括，在海星中看到的基因模式是否也在海膽和海參中出現(xiàn)。就他而言，F(xiàn)ormery也想研究海星可以教給我們什么關(guān)于神經(jīng)系統(tǒng)的進化，他說，沒有人完全了解棘皮動物。
研究人員說，更多地了解海星及其親屬不僅有助于解開動物進化的關(guān)鍵謎團，還可能激發(fā)醫(yī)學創(chuàng)新。海星通過數(shù)千個管狀腳移動水來行走，并通過將胃擠出體外來消化獵物。有理由認為，這些不尋常的生物也進化出了完全意想不到的保持健康的策略——如果我們花時間去理解它們，可以擴展我們對抗人類疾病的方法。
“在研究頻率較低的生物中工作肯定更難，”Rokhsar說。“但如果我們抓住機會探索以不同尋常的方式運作的不同尋常的動物，這意味著我們正在拓寬我們的生物學視角，這最終將幫助我們解決生態(tài)和生物醫(yī)學問題。”

(責任編輯：熱點)