综述：鱼类面部软组织变异的分子基础：来自慈鲷鱼的启示

《Developmental Biology》：Molecular basis of variations in facial soft tissues: insights from cichlid fishes

这篇综述系统探讨了慈鲷鱼作为研究脊椎动物面部软组织形态发生的创新模型。文章强调了慈鲷鱼在额头、鼻部和唇部软组织肥大等性状上的显著多样性，并揭示了其背后保守的分子调控网络，涉及生长因子（如TGF-β、BMP、FGF）、转录因子（如FOX、TCF12、DLX5）、细胞外基质（ECM）重塑基因（如ADAM12、胶原蛋白、SLRPs）以及细胞分化调节因子。作者提出，利用慈鲷鱼的“自然突变体”资源和功能验证工具（如CRISPR/Cas9），有望揭示面部多样性的遗传和发育机制，并为理解人类颅面发育、畸形及相关疾病提供新的视角。

　　

引言

面部是人类吸引力和身份认同的核心组成部分，在社交互动中扮演着关键角色。硬骨鱼模型，特别是斑马鱼，因其在颅面骨骼发生过程中的分子保守性，为理解其发育和分子机制提供了宝贵见解。然而，关于面部软组织形态发生过程的知识仍然非常匮乏。在人类研究中，大多数因果证据来自临床遗传学中的基因-表型关联研究，但这些研究很少提供面部软组织的细胞分辨率分析，导致组织和细胞类型特异性机制尚未解决。慈鲷科鱼类物种数量约占硬骨鱼的10%，因其广泛的生态多样性和快速的物种形成速率，为进化生物学研究提供了绝佳的机会。慈鲷鱼也表现出显著的颅面形态多样性，使其成为研究颅面骨骼和软组织形态发生的优秀模型。

面部软组织

近几十年来，颅面遗传学研究已从主要关注异常转向理解正常面部变异的生物学基础。研究正常范围面部形态的遗传学至关重要，原因包括阐明环境因素与父母生物贡献之间的相互作用，揭示个体外貌的起源；在某些情况下，父母特定的亚临床颅面形状可能提示子女发生畸形的风险增加；遗传数据可用于确定血统、性别和特定面部特征，在医疗保健和法医学中有应用；研究历史选择和适应为颅面进化研究提供信息。大多数颅面组织起源于颅神经嵴细胞（CNCCs），其经历上皮-间质转化并腹侧迁移，形成大部分颅面骨骼和结缔组织。面部软组织的发育也涉及与CNCCs密切相关的复杂胚胎过程。分子研究强调了各种因子和通路的复杂相互作用，例如成纤维细胞生长因子、 Hedgehog蛋白、骨形态发生蛋白、Wnt信号、视黄酸信号、同源盒基因等，在调节面部原基生长和模式形成中的作用。面部变异是遗传和环境因素共同作用的结果。遗传影响通过家族相似性和同卵双胞胎相较于异卵双胞胎的相似性得以体现。强烈的遗传影响，特别是对上和中面部区域（如前额、上唇和鼻子）的影响已被一致报道，而下部面部（如下唇、下颌区域和下巴）则观察到更强的环境贡献。

慈鲷鱼面部形态多样性超越骨骼组织

慈鲷鱼，特别是来自东非大湖的物种，以其卓越的颅面多样性而闻名，使其成为研究颅面变异遗传和发育机制的主要模型。这种多样性涵盖了广泛的颌结构、头骨形状和面部软组织，每种都适应于特定的生态位和摄食策略。虽然许多研究集中在颅面骨骼发生上，但近期的研究已开始探索面部软组织的多样性，为这些物种的进化生物学提供了新的见解。历史上，研究主要集中慈鲷鱼颅面解剖的骨骼成分。研究阐明了颌形态和骨骼结构的变异如何促进对多样化营养资源的利用。例如，颌形状、运动学和牙齿排列的差异与特定的摄食习惯相关，如刮食藻类或压碎软体动物。这些骨骼适应通常由保守的分子通路控制，然而，新基因也牵涉其中，这强调了慈鲷模型系统在揭示颅面形状调控新分子机制方面的潜力。

虽然骨骼结构已被广泛研究，但对慈鲷鱼颅面软组织多样性的兴趣日益增长。软组织特征，如肥厚的嘴唇、额头/项背隆起和鼻部突起，在摄食策略、配偶吸引和物种识别中扮演重要角色。这些性状通常快速进化，即使在近缘物种间也能表现出显著的变异性。近期的转录组学分析已开始揭示这些软组织适应的分子基础。例如，对具有显著唇肥厚物种的研究发现了与细胞增殖、细胞外基质形成和脂质代谢相关的基因差异表达。同样，对项背隆起发育的研究揭示了调节脂肪生成、细胞生长和颅面形态发生的基因参与。这些发现表明，基因表达和信号通路的改变促进了慈鲷鱼软组织的多样性进化。

面部软组织形态发生的保守基因实例

面部软组织形态发生由调节间质增殖、ECM重塑和上皮-间质相互作用的保守遗传通路所塑造。许多在人类和小鼠颅面发育中已知功能的关键基因也在具有独特鼻、额头和唇肥大的慈鲷鱼中被发现。

生长调节因子： 生长因子信号在面部软组织形态发生中扮演核心角色，指导间质增殖、分化和ECM重塑。在慈鲷鱼中，这些通路通过一组保守的遗传调节因子促成三种关键的面部修饰。基因如adam12, tgf-β1, fgf22, foxf1, foxa2, bmp2和tfap4驱动鼻突起的发育，而pdgfrb, btg3和tcf12调节额头肥大，同时foxp1, tcf12和foxf1有助于唇肥大。这三个形态发生过程之间的共享特征可能反映了它们在驱动类似组织水平结果方面的保守作用。

细胞分化调节因子： 细胞分化是面部软组织形态发生的基本过程，指导不同面部区域成纤维细胞、间充质细胞和上皮细胞的特性化。在慈鲷鱼中，在鼻突起、额头肥大和唇肥大中发现了保守的调节基因，在组织特异性分化中发挥关键作用。其中，scx和six2与鼻突起发育有关，特别是在调节韧带组织、结缔组织和间充质细胞特性方面。在额头肥大中，基因如dlk1, papp-a, dlx5a, fosl1a和mycn调节间充质分化、结缔组织扩张和脂肪生成。对于上唇特异性肥大，rasal3, fhl2和igf2调节成纤维细胞分化、上皮重塑和间充质扩张。

组织重塑调节因子： 面部软组织的形态发生不仅依赖于结构性ECM成分，还关键依赖于指导组织重塑的调节因子。在慈鲷鱼中，几个在人类颅面形态发生中具有保守作用的基因被确定为区域特异性肥厚表型的关键参与者。在鼻突起发育的背景下，三个调节因子基因adam12, ugdh和hmx2表现出协调的表达和功能。类似的组织重塑主题是观察到的额头区域夸张软组织表型的基础，特别是在表现出项背隆起的物种中。皮肤蛋白（dpt），一种在胶原纤维生成和组织组织中具有已知作用的小ECM蛋白，在该性状的物种中显著上调。上唇区域提供了组织重塑调节因子如何促进局部面部外生长的另一个例子。基因如lama5, apoda, ggt5a和col21a1协同作用驱动唇肥大。最引人注目的是，一个保守的ECM调节因子基因模块——核心蛋白聚糖（dcn）、光蛋白聚糖（lum）和asporin（aspn）最近被牵涉到整个嘴唇（上下唇）的肥大中，该性状在非洲三大湖（维多利亚湖、马拉维湖和坦噶尼喀湖）中反复且独立地观察到。

结构因子： 编码核心ECM成分和支架蛋白的结构基因通过提供生物力学结构和调节信号通路来支持面部形态。在慈鲷鱼中，区域表达的结构基因与不同的肥厚性状相关。在鼻突起的背景下，三个结构基因adprhl1, dusp22和lyve1已成为潜在的重要参与者。最广泛的结构性ECM基因阵列与在非洲大湖多个慈鲷谱系中观察到的全唇肥厚表型相关。支持这个ECM复合体的还有透明质酸和蛋白聚糖连接蛋白（hapln1a/b, hapln3）和多功能蛋白聚糖（vcanb），它们稳定基于透明质酸的基质，并赋予软组织可压缩性和水合作用。

其他潜在分子参与者： 除了结构和重塑基因外，其他分子参与者，如离子转运蛋白和免疫调节因子，通过协调信号传导和组织稳态来支持面部软组织形态发生。在慈鲷鱼中，它们的区域特异性表达提示其在鼻突起、项背隆起和唇肥大等性状中的作用。在细胞通讯和离子转运蛋白的介导者中，有几个基因与不同的面部区域相关。在鼻突起中，prodh和rac1很突出。在以上额区域为特征的物种中，已鉴定出ago3。在上唇区域，一组不同的基因，包括kcnj16, kcnj2a和cyp1a，似乎介导区域特异性的软组织肥大。同时，炎症和免疫相关基因也被牵涉到区域特异性面部性状中，特别是在前额和上唇。

未来方向与结论

面部软组织形态发生代表了发育生物学中一个复杂且 largely 未被充分研究的前沿领域，由遗传调控、细胞可塑性和进化创新的相互作用所塑造。慈鲷鱼因其丰富的自然变异和实验可及性，为揭示驱动面部软组织多样性的机制提供了一个独特而强大的模型。重要的是，参与塑造面部软组织的基因通常在不同的生物过程中扮演多重角色。展望未来，一个关键的未来方向是解析面部软组织变异的细胞基础。虽然主要组成细胞类型，如成纤维细胞、脂肪细胞、上皮细胞和血管细胞，在很大程度上是保守的，但它们增殖和丰度的区域差异可能有助于形成显著的表型。同样重要的是要认识到，当前大多数慈鲷鱼研究基于比较转录组学，这提供了基因表达和形态差异之间的相关性关联，但未能证明因果关系。若没有功能验证，仍然不清楚哪些基因作为主要驱动因素，它们如何在调节层级中相互作用，以及它们如何贡献于特定的颅面区域。在人类方面，许多相同基因的突变提供了与颅面表型的因果联系，但这些研究通常局限于临床水平的诊断，并且常常缺乏细胞分辨率来区分软硬组织的贡献。弥合这些差距将需要一方面在慈鲷鱼中进行功能操作以直接测试基因功能，另一方面在人类和其他哺乳动物中进行组织学和单细胞研究以解析组织和细胞类型特异性机制。