Nature子刊：厦门大学李光团队揭示“刺猬基因”功能的阶梯式演化，为解读脊椎动物中枢神经系统起源提供了重要线索

作者|nagashi 来源|BioWorld(ID：ibioworld)

包括人类在内的脊椎动物拥有现生生物中最为复杂的中枢神经系统，揭示其如何起源一直是进化发育生物学研究领域的重要命题。

近日，厦门大学生命科学学院细胞应激生物学国家国家重点实验室的李光副教授团队在Nature Ecology & Evolution 杂志上发表了题为：Step-wise evolution of neural patterning by Hedgehog signalling in chordates 的研究论文【1】。

该研究通过对实验室先前构建的世界首个文昌鱼突变体——Hedgehog(Hh)突变体模型【2】分析发现，Hh参与脊椎动物神经管背腹图式形成是在脊索动物进化过程中分步实现的，该研究为解读脊椎动物中枢神经系统起源提供了重要线索。

Hedgehog(Hh)基因最早在果蝇上被发现，因其突变体成球状，表面布满刚毛，形似刺猬，因此被命名为刺猬基因(Hedgehog)。

Hedgehog(Hh)信号是调控脊椎动物中枢神经系统发生的主要参与者之一。在脊椎动物胚胎发育过程中，Hh信号配体Shh(Sonic Hedgehog)会在脊索和神经管腹侧(floor plate)细胞中特异表达，并在神经管中形成腹侧高背侧低的浓度梯度。受该梯度影响，不同类型的转录因子会在神经管不同区域细胞中激活，并进而通过它们之间的相互抑制作用，诱导不同类型的神经元前体细胞(progenitor cell)在特定区域发生。

Hh参与脊椎动物神经管前体细胞形成的机制【2】

文昌鱼是无脊椎动物向脊椎动物动物进化的重要过渡类群，其背部也有一个贯穿全身的神经管。但相较于脊椎动物，文昌鱼的神经管结构非常简单，只有约2万个神经元构成。有趣的是，在文昌鱼胚胎中，Hh基因也在脊索和神经管腹侧表达。

为了探究Hh信号在文昌鱼神经管发生中的作用，研究团队构建了文昌鱼Hh基因及Ptch基因(Hh信号通路受体)突变体，发现这两个基因突变会影响神经管腹侧基因(如OligA、Nkx6和Netrin)表达，而对于神经管背侧和中央区域表达基因不产生任何影响。

在脊椎动物中Olig和Nkx6阳性细胞代表着运动神经元(MN)前体细胞，研究人员发现在文昌鱼胚胎中这两个基因共表达，并且在Hh突变体中Mna、Lhx以及Islet(MN后期分化相关基因)阳性细胞数减少。说明受文昌鱼Hh信号缺失影响的细胞为运动神经元。

文昌鱼运动神经元分为3中类型，研究人员发现受Hh信号调控的只是其中一部分，并证实Err阳性细胞并非运动神经元，但其分化受Hh信号调控。在受Hh信号调控的运动神经元(MN)中，OligA、Nkx6、Mnxa、Lhx及Islet形成的调控网络与脊椎动物MN相似。

基于以上结果，研究团队认为，Hh参与脊椎动物神经管背腹图式形成是在脊索动物进化过程中分步实现的：首先，在脊索动物祖先中，Hh被募集到脊索和神经管腹侧表达，并在那里参与部分运动神经元的发生，接着，在脊椎动物祖先中，Hh被进一步招募参与更多神经发育相关转录因子的调控，并进而促成它们之间形成相互抑制调控关系，参与脊椎动物不同神经元前体细胞分化。该研究为解读脊椎动物中枢神经系统起源提供了重要线索。

厦门大学生命科学学院研究生任琼琼、钟燕泓为论文共同第一作者;厦门大学生命科学学院李光副教授、王义权教授，及牛津大学动物学系Sebastian M. Shimeld教授为论文通讯作者。

参考文献：

1、Ren, Q., Zhong, Y., Huang, X. et al. Step-wise evolution of neural patterning by Hedgehog signalling in chordates. Nat Ecol Evol (2020)

2、文昌鱼 Hedgehog 基因敲除和突变体表型分析，王慧，李光，王义权，遗传，2015 年 10 月, 37(10): 1036―1043

3、Dessaud Eric,McMahon Andrew P,Briscoe James,Pattern formation in the vertebrate neural tube: a sonic hedgehog morphogen-regulated transcriptional network.[J] .Development, 2008, 135: 2489-503.

编者按：本文转载自微信公众号：BioWorld(ID：ibioworld)，作者：nagashi