分子证据揭示异涡动物生殖孔与两侧对称动物肛门的同源性：后口进化起源的新视角

本研究针对两侧对称动物肛门起源这一百年演化难题，通过比较发育生物学手段，发现异涡动物（Xenacoelomorpha）雄性生殖孔形成过程中表达与两侧对称动物后肠发育高度保守的基因网络（Brachyury、Caudal、Wnt通路）。研究人员提出“两侧对称动物肛门由雄性生殖孔二次连接消化道演化而来”的创新假说，为动物体轴演化机制提供了关键分子证据。

　　

在动物演化史上，两侧对称动物（Bilateria）贯穿消化道的出现——即具有口和肛门两个开口的消化系统——是一场革命性的创新。这种结构使得食物能够单向移动，让消化系统分区化，从而显著提升营养吸收效率。然而，与两侧对称动物亲缘关系最近的刺胞动物（如珊瑚、水母）却只有一个开口的盲管式消化系统。那么，贯穿消化道，特别是肛门，究竟是如何演化出来的？这个谜题已经困扰了生物学家超过一个世纪。

异涡动物（Xenacoelomorpha），包括奇异虫（Xenoturbella）和无腔动物（Acoelomorpha），被认为是所有其他两侧对称动物（肾口动物，Nephrozoa）的姐妹群。它们和刺胞动物一样，只有口，没有肛门。但它们有一个两侧对称动物普遍具有而刺胞动物没有的结构：生殖孔（gonopore），特别是雄性生殖孔。这一关键的演化位置使异涡动物成为解开“盲肠”到“贯穿肠”过渡之谜的钥匙。

此前有研究推测，无腔动物的雄性生殖孔可能与两侧对称动物的后肠/肛门存在演化上的联系，但缺乏充分的证据。为了检验“异涡动物生殖孔与两侧对称动物肛门同源”这一假说，由Carmen Andrikou、Kevin Pang、Aina Borve、Tsai-Ming Lu和Andreas Hejnol组成的研究团队，对多种异涡动物物种的生殖孔形成及其与保守的消化系统相关基因表达的关系进行了深入研究。这项发表在《Nature Ecology & Evolution》上的研究，提供了强有力的分子证据，支持了“两侧对称动物的肛门是从一个雄性生殖孔演化而来”这一颠覆性的观点。

关键技术方法

研究人员综合利用了比较基因组学、转录组学和进化发育生物学的技术手段。他们从公共数据库获取或自行测序了多种异腔动物（Isodiametra pulchra, Convolutriloba macropyga, Hofstenia miamia）和纽皮动物（Meara stichopi）的转录组及基因组数据。通过系统发育分析鉴定了与两侧对称动物前肠/中肠（如goosecoid (gsc), foxA, gata45/6, hnf4）和后肠（如brachyury, caudal, evx, nk2.1）发育相关的关键转录因子以及Wnt信号通路成员的直系同源基因。研究核心采用了全胚胎原位杂交（WMISH）技术，在性成熟的成年个体中精确展示了这些基因的表达位置。此外，还通过免疫荧光染色确认了奇异虫（Xenoturbella bocki）雄性生殖孔及相关结构的的存在。

研究结果

奇异虫（Xenoturbella bocki）具有雄性生殖孔

研究团队首先重新检视了奇异虫（Xenoturbella bocki）的形态结构。此前的研究并未描述其雄性生殖孔。本研究发现，在活体成年奇异虫的后腹侧存在一个单一的孔洞，两侧有白色斑点，类似于雄性生殖孔。通过免疫荧光标记确认了该物种存在两条双侧输精管和一个位于身体末端的中央雄性生殖孔。这表明具有后位雄性生殖孔且缺乏雌性生殖孔可能是异涡动物最后共同祖先的特征。

两侧对称动物后肠标记基因在无腔动物雄性生殖孔周围表达

研究人员在三种无腔动物（I. pulchra, C. macropyga, H. miamia）中探究了后肠标记基因的表达。

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  Isodiametra pulchra 和 Convolutriloba macropyga: 在这两种后位雄性生殖孔的无腔动物中，后肠标记基因brachyury和caudal，以及Wnt家族成员（如wntB, wntG）及其受体frizzled9/10，都特异性地在雄性生殖孔周围表达，而不在雌性生殖孔或口腔区域表达。前肠/中肠标记基因（如gsc, foxA, hnf4）则主要在消化合胞体中表达。在尚未形成生殖孔的幼体中，brachyury和caudal并不在生殖孔区域表达，说明其表达与生殖孔形成直接相关。
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  Hofstenia miamia: 该物种的雄性生殖孔位于身体前部，紧邻口后方。令人惊讶的是，brachyury和caudal依然特异性地在这个前位的雄性生殖孔周围表达，与其身体后部分离。这强有力地证明这些基因的表达是生殖孔特异的，而非简单的后部体轴模式形成的残留。

两侧对称动物后肠标记基因在纽皮动物雄性生殖孔周围表达

为了验证这种分子保守性是否延伸到无腔动物的姐妹群——纽皮动物（Nemertodermatida），研究团队检测了Meara stichopi中的基因表达。同样地，后肠标记基因caudal和brachyury，以及多个Wnt基因（wnt1, wntY, wntZ）和frizzled9/10受体，都特异性地在位于身体后端的雄性生殖孔周围表达。而前肠/中肠标记基因则主要在口或整个肠道表达。在未形成生殖孔的幼体中，brachyury表达限于未来的口区，caudal则不表达。

研究结论与意义

本研究结果表明，在所有研究的异涡动物（包括无腔动物和纽皮动物）中，一个保守的基因调控网络（包括brachyury, caudal以及Wnt信号通路成员）被用于雄性生殖孔的特异性和模式化，而不是用于消化道的模式化。这与两侧对称动物后肠发育所使用的分子工具包高度相似。

基于这些发现，研究团队提出了一个创新的演化模型：两侧对称动物和异涡动物的最后共同祖先拥有一个盲管式消化系统和一个由brachyury/caudal/Wnt通路控制的、位于后部的雄性生殖孔。在两侧对称动物谱系中，这个原本用于形成生殖孔的后部外胚层区域，后来与消化道的末端连接起来，从而产生了后肠和肛门。换言之，两侧对称动物的肛门是从一个雄性生殖孔演化而来的。

这项研究为动物身体结构（特别是消化道和生殖系统）的深层同源性提供了关键的分子证据，解决了演化生物学中的一个长期争议。它不仅揭示了肛门这一重要结构可能的演化起源，也展示了在演化过程中，古老的基因调控网络如何被“招募”用于新的发育过程，从而催生重大的形态创新。这一发现对于理解动物宏观形态的演化历程具有里程碑式的意义。