李光教授团队揭示脊索动物神经系统的演化起源

脊椎动物具有现存生物中最为复杂的神经系统。然而，尽管经过了一个多世纪的研究，人们对脊椎动物神经细胞类型的起源演化仍然了解甚少。头索动物文昌鱼作为脊椎动物的姊妹谱系，因其结构上与脊椎动物有许多相似之处，一直被认为是理解脊椎动物中枢神经系统（CNS）演化的重要模型。尽管对文昌鱼神经系统发育的研究已有多年历史，但其神经细胞分类、发育轨迹及其调控机制仍不清楚。

近日，细胞应激生物学国家重点实验室、厦门大学生命科学学院李光教授团队、中科院动物所周旭明研究员团队和牛津大学生物系Sebastian Shimeld团队联合在Nature Ecology & Evolution杂志上发表了题为“Evolutionary origin of the chordate nervous system revealed by amphioxus developmental trajectories”的研究论文。该文章通过研究文昌鱼发育轨迹揭示了脊索动物神经系统的演化起源。

该研究收集了文昌鱼七个不同发育阶段胚胎的活细胞，并通过单细胞转录组测序技术构建了不同发育阶段的细胞图谱。通过总结已知标记基因的文献，并比对所有细胞簇的基因表达谱，定义了300余个细胞簇的名称及其所在的胚层、器官身份。基于获得的高质量单细胞数据集，首次发现文昌鱼存在下丘脑样神经元和神经垂体样神经元。此外，该研究还系统比较了文昌鱼、小鼠、斑马鱼、海鞘胚胎的单细胞数据，探讨了文昌鱼神经细胞与小鼠、斑马鱼、海鞘神经细胞之间的同源性，追踪了脊椎动物关键神经结构的进化轨迹，发现脊椎动物神经系统由三种不同祖先细胞来源：一种是可以追溯到两侧对称动物共同祖先的高度保守的FoxQ2a依赖性的前端神经细胞，一种是特异存在于脊椎动物脊髓中的更多后部神经细胞，一种是出现于脊索动物共同祖先的由位于尾芽内神经中胚层祖细胞 NMP 衍生的细胞类型。

此外，该研究还进一步建立了文昌鱼FoxQ2a、Bra、Lhx3/4和Msxlx等基因的突变体，并观察了特定神经细胞标记基因在这些突变体胚胎中的表达变化，论证了上述基因在文昌鱼脑泡及后端中枢神经系统发生中的功能和机制。

综上所述，这项研究揭示了脊椎动物神经系统三大发育起源的复杂图谱，并确定了文昌鱼中存在与脊椎动物下丘脑和神经垂体的同源物，支持脊索动物祖先已存在下丘脑和神经垂体样细胞类型,这一系列发现加深了我们对脊椎动物神经系统进化起源的理解。

厦门大学生命科学学院李光教授、中科院动物所周旭明研究员和牛津大学生物系Sebastian Shimeld教授为论文共同通讯作者。中科院动物所博士后戴漪晨为该文第一作者，李光教授课题组已毕业研究生钟燕泓、袁亮、石成刚、刘慧敏，以及在读研究生潘蓉蓉、付永恒、陈钰薇等也在本项研究中做出了重要贡献。该研究得到国家自然科学基金、中国博士后管理委员会博士后引进项目、中科院动物所秉志博士后计划等项目的资助。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41559-024-02469-7

(文/图 李光教授团队)