一项新的研究揭示了关于哺乳动物外耳的进化背景的惊人信息，显示它与古代鱼类和海洋无脊椎动物的鳃有联系。研究表明，外耳和鳃都是由弹性软骨构成，并共享基因调控元件，指向它们的进化联系。这一发现为哺乳动物耳朵的演变提供了新的见解，展示了结构如何随着时间的推移而改变以满足不同的功能。
外耳是哺乳动物的独特特征，但其进化背景长期以来一直不清楚。最近，Gage Crump的南加州大学干细胞实验室在《自然》上发表的一项研究揭示，这种复杂的软骨结构可以追溯到鱼类和海洋无脊椎动物的鳃。
“在我们项目开始时，外耳的进化起源完全未知，”专业于干细胞生物学和再生医学的南加州大学凯克医学院教授Crump说道。“我们最初专注于鱼类下颚骨的发育和再生，灵感来自于史蒂芬·杰伊·古尔德的著名文章《下颚的耳鸣》，详细描述了鱼类下颚骨如何演变成哺乳动物的中耳骨。这促使我们思考，软骨外耳是否也可以源于祖先鱼类中的某种结构。”
团队的第一个突破出现在他们发现鳃和外耳都是由一种稀有类型的组织——弹性软骨构成。“在我们开始研究之前，关于哺乳动物以外的弹性软骨的存在知识非常少，”Crump解释道。“不确定鱼类是否甚至有弹性软骨。我们发现它们确实拥有。”
尽管鳃和外耳在外观和功能上有所不同，但它们都具有不矿化的特性，这使得在化石记录中的恢复变得稀有。因此，研究它们的进化关系需要一种新颖的方法。研究的主要作者、Crump实验室的博士生Mathi Thiruppathy专注于被称为增强子的基因调控元件。虽然这些增强子影响的基因通常在不同无关组织和器官的发育中发挥作用，但增强子通常更特定于某些组织。
研究人员成功地将负责在人体外耳中产生弹性软骨的增强子插入斑马鱼基因组中。有趣的是，这些人耳增强子在经修改的斑马鱼的鳃中被特定激活。他们还通过将与鳃形成相关的斑马鱼增强子整合到小鼠基因组中反转了实验，发现这些增强子在小鼠的外耳中是活跃的。这一联系是连接看似无关结构的关键。
研究人员与他们的合作者随后探讨了人类外耳和鱼类鳃的增强子是否可以追溯进化路径，从鳃到像两栖动物和爬行动物这样中间物种的外耳。他们发现当人类耳朵或鱼类鳃增强子被引入蝌蚪的基因组时，这些增强子在其鳃中是活跃的。然而，随着爬行动物的出现，鳃的弹性软骨转移至耳道，科学家通过与绿安卡蜥蜴进行的一系列实验证明了这一点。这种软骨最终演变成早期哺乳动物明显的外耳。
另一个意外的发现是，鳃中的弹性软骨可能在之前认为的更早时期就出现了。早期研究已经在海洋无脊椎动物的鳃和触手中发现了类似软骨的组织，包括几亿年来几乎没有变化的鲎。研究人员对鲎鳃中的个别细胞进行了DNA测序，并识别出一种螃蟹增强子，当其引入斑马鱼基因组时，展示了鳃活性。这表明，类似于我们外耳中的第一种弹性软骨可能起源于古代海洋无脊椎动物。
“这项研究为理解哺乳动物耳朵的进化增添了新的篇章，”Crump说。“虽然中耳是由鱼类下颚骨演变而来，外耳却源于软骨鳃。通过检查相同的基因调控元件如何驱动鳃和外耳的发展，科学家们揭示了一种新颖的方法来理解结构如何能够以戏剧性的方式进化成新的、意想不到的角色。”
关于研究
其他参与者包括南加州大学的Lauren Teubner、Ryan R. Roberts、Seth Ruffins、Arijita Sarkar、Jade Tassey、Denis Evseenko和Thomas P. Lozito；加州大学旧金山分校的Micaela Lasser和Helen Rankin Willsey；西奈山医学院的Alessandra Moscatello和Ya-Wen Chen；洛杉矶儿童医院和南加州大学的Christian Hochstim；以及伍兹霍尔海洋生物实验室的J. Andrew Gillis。
这项研究得到了NIDCR的支持（拨款编号R35DE027550和F31DE030706）。蜥蜴实验得到了NIH/NIGMS的支持（拨款编号R01GM115444）。人类组织实验的资金通过南加州大学干细胞挑战基金提供。Helen Rankin Willsey被认定为Chan Zuckerberg Biohub研究员。
