七鳃鳗是现存的唯一无颌脊椎动物之一。颌的发育起源于一组称为神经嵴的重要干细胞。最近的研究揭示了可能阐明有颌和无颌脊椎动物之间物理差异的遗传调控变化。
海七鳃鳗是两种在中西部渔业中造成重大干扰的无颌脊椎动物物种之一，同时为理解影响脊椎动物进化的关键干细胞的起源提供了重要见解。
来自西北大学的研究人员已确定了调控这些干细胞的基因网络进化的时间线，并发现了七鳃鳗无颌的潜在原因。
参与其中的主要细胞类型有两种：多能性囊胚细胞（胚胎干细胞）和神经嵴细胞。多能性意味着这些细胞有能力发育成体内的任何其他细胞类型。
在他们最新的研究中，科学家们将七鳃鳗的基因与有颌的水生蛙，非洲爪蛙（Xenopus）的基因进行了比较。通过比较转录组学，他们发现与多能性相关的基因网络在有颌和无颌脊椎动物之间非常相似，甚至在关键调控因子的数量方面也是如此。
然而，研究小组还发现了一个重要的发现。虽然在这两个物种的囊胚细胞中，pom5基因在干细胞调控中至关重要，并且表达，但在七鳃鳗的神经嵴细胞中却缺失。该基因的缺失可能妨碍了神经嵴细胞发育成在有颌脊椎动物中存在的特定细胞类型，从而导致颌和头部结构的差异。
这项研究计划在7月26日发表在《自然生态与进化》期刊上。
通过研究无颌和有颌脊椎动物，科学家可以更好地理解特征的进化根源，这些特征定义了包括人类在内的脊椎动物，基因表达的变化如何影响物种之间的结构差异，以及所有脊椎动物的祖先是什么样子的。
研究负责人西北大学的Carole LaBonne表示：“七鳃鳗可能为我们进化历史提供关键见解。要理解特定特征的起源，必须回顾相关动物中最原始的形式，而不是在已经分化了五亿年的更复杂的脊椎动物。这使我们关注于盲鳗和七鳃鳗，最后的无颌脊椎动物。”
LaBonne是一位发育生物学专家，是韦因伯格艺术与科学学院分子生物科学的教授。她还担任埃拉斯图斯·奥蒂斯·哈文讲席，并参与了国家科学基金会新成立的西蒙斯国家生物学理论与数学研究所的领导工作。
此前，LaBonne及其团队展示了神经嵴细胞的起源与维持囊胚干细胞多能性的基因调控网络密切相关。在这项新研究中，他们调查了这两种干细胞类型之间关系的进化演变。
LaBonne解释道：“神经嵴干细胞的功能就像一个进化的乐高积木。” “它们有可能变形为各种细胞类型，如神经元和肌肉细胞，同时在神经嵴内共享相同的发育起源。”
与在早期发育过程中快速失去多能性并特化为不同细胞类型的囊胚胚胎干细胞不同，神经嵴细胞在发育过程中保持其与多能性相关的分子工具的时间更长。
研究团队发现，七鳃鳗的囊胚细胞拥有一个完整的多能性网络，解决了关于这些干细胞在无颌脊椎动物中角色的长久问题。这表明，无论是有颌还是无颌脊椎动物，囊胚和神经嵴干细胞的种群在脊椎动物进化的黎明时期是同时进化的。
西北大学的博士后研究员及主要作者约书亚·约克指出，他们的发现揭示了七鳃鳗与非洲爪蛙之间“相似性超过差异性”。
约克提到：“尽管管理多能性的许多基因在七鳃鳗神经嵴中存在，但缺失了一个重要基因pom5则十分突出。” “值得注意的是，将pom5引入蛙的神经嵴细胞中可能会促进神经嵴的形成，这表明该基因是我们最早脊椎动物祖先所拥有的古老多能性网络的一部分。”
该研究还让他们推测，这个基因的缺失发生在特定的谱系中，而不是后来的有颌脊椎动物发展中的变化。
LaBonne指出：“这项研究的一个突出发现是，尽管相隔五亿年的进化历史，但维持多能性所需基因的表达水平受到限制。” “主要未解的问题仍然是：为什么？”
这项研究得到了国家卫生研究院（授予R01GM116538和F32DE029113）、国家科学基金会（授予1764421）、西蒙斯基金会（授予SFARI 597491-RWC）和沃尔德基金会通过生命科学研究基金会的资助，并献给已故的Joseph Walder博士的记忆。
