后口动物FoxQ2转录因子进化动力学揭示三个古老旁系同源物及其在前后轴模式化和内胚层分化中的保守作用

《Communications Biology》：Evolutionary dynamics of FoxQ2 transcription factors across metazoans reveals three ancient paralogs

本研究通过系统发育和同线性分析，揭示了FoxQ2转录因子家族在后口动物中存在三个古老的旁系同源物（FoxQ2I、FoxQ2II和FoxQ2III），并发现FoxQ2III在脊索动物中特异性地表达于中肠内胚层，为理解FoxQ2基因家族的进化及其在胚胎发育中的功能分化提供了新的视角。

　　

在动物胚胎发育的宏伟蓝图中，如何精确地构建身体的前后轴（Antero-posterior axis）是一个核心问题。其中，FoxQ2转录因子扮演着至关重要的角色。它属于高度保守的Forkhead-box（FOX）转录因子家族，在从刺胞动物到两侧对称动物的早期胚胎中，其表达都严格限定在身体的前端（或刺胞动物的反口端），参与调控前端神经外胚层的特化。然而，关于FoxQ2的进化历史却充满了矛盾：一方面，其表达模式在动物界中表现出惊人的保守性；另一方面，其基因序列却经历了快速的进化，并在不同谱系中发生了大量的基因重复和丢失事件。这种“表型保守”与“基因不保守”的悖论，使得科学家们难以厘清FoxQ2基因家族的真实进化历程，也阻碍了对其功能多样性的深入理解。

为了解开这一谜团，由Giacomo Gattoni、Che-Yi Lin、Jr-Kai Yu、J. Andrew Gillis和Elia Benito-Gutiérrez等共同领导的研究团队，对FoxQ2基因家族进行了跨动物界的全面进化分析。他们发现，两侧对称动物和刺胞动物共同拥有三个古老的FoxQ2旁系同源物，其中两个（FoxQ2I和FoxQ2II）维持了保守的前端外胚层表达模式，而第三个（FoxQ2III）则出人意料地在脊索动物中特异性地表达于中肠内胚层。这项研究不仅澄清了FoxQ2基因家族的进化历史，还揭示了一个全新的、与消化系统发育相关的FoxQ2功能域，为理解转录因子家族如何通过基因重复和功能分化来驱动动物形态的多样性提供了关键证据。该研究成果已发表于《Communications Biology》。

关键实验方法

本研究综合运用了多种生物信息学和实验生物学技术。研究人员首先通过BLAST搜索和系统发育分析，对来自21个动物门的FoxQ2基因序列进行了重建，并结合宏观同线性（Macro-synteny）分析追溯其进化起源。在表达分析方面，他们利用单细胞转录组测序（scRNA-seq）技术分析了斑马贻贝、涡虫、文昌鱼和斑马鱼等物种的数据，并通过原位杂交链式反应（HCR）技术，在文昌鱼、七鳃鳗、鳐鱼、斑马鱼和鸡的胚胎中精确地定位了不同FoxQ2旁系同源物的表达。此外，他们还通过比较基因组学方法，预测了文昌鱼FoxQ2基因上游的保守转录因子结合位点（TFBSs），以探究其调控机制。

研究结果

系统发育与同线性分析揭示FoxQ2存在三个古老旁系同源物

为了厘清FoxQ2的进化历史，研究人员对来自21个动物门的FoxQ2基因序列进行了全面的系统发育分析。结果清晰地显示，FoxQ2基因家族并非单一的同源基因群，而是由三个独立的、古老的旁系同源物组成，他们将其命名为FoxQ2I、FoxQ2II和FoxQ2III。这三个旁系同源物在两侧对称动物和刺胞动物的共同祖先中就已经存在，表明其起源非常古老。

为了进一步验证这一发现，研究人员进行了同线性分析，即比较不同物种中FoxQ2基因在染色体上的“邻居”基因。结果发现，FoxQ2I和FoxQ2II通常位于由祖先连锁群C1（ALG_C1）演化而来的染色体上，而FoxQ2III则主要位于由祖先连锁群E/Eb（ALG_E/Eb）演化而来的染色体上。这种在基因组位置上的显著差异，为三个旁系同源物的独立起源提供了强有力的证据。

FoxQ2I和FoxQ2II在两侧对称动物中维持保守的前端外胚层表达

接下来，研究人员探究了这三个旁系同源物在胚胎发育中的表达模式。他们发现，FoxQ2I和FoxQ2II的表达模式高度保守，均定位于胚胎的前端外胚层。在文昌鱼中，FoxQ2I在囊胚期就开始表达，随后其表达范围逐渐缩小至胚胎最前端的表皮和口部。而FoxQ2II的表达则稍晚，起始于神经胚早期，最终与FoxQ2I共同表达在幼虫的吻部。在脊椎动物中，斑马鱼和鸡的FoxQ2I基因则特异性地表达于视网膜的光感受器细胞中，表明其在脊椎动物中可能演化出了调控视觉系统发育的新功能。

FoxQ2III在脊索动物中特异性地表达于中肠内胚层

最令人惊讶的发现来自于第三个旁系同源物FoxQ2III。与定位于前端外胚层的FoxQ2I和FoxQ2II不同，FoxQ2III在脊索动物中特异性地表达于内胚层来源的组织中。在文昌鱼中，FoxQ2III在幼虫发育的早期阶段开始表达，并严格限定在中肠区域。为了验证这一表达模式是否在脊索动物中保守，研究人员检测了七鳃鳗和鳐鱼中的FoxQ2III表达。结果发现，在这两种基底部脊椎动物中，FoxQ2III同样表达于发育中的消化系统，特别是在中肠区域。这一发现首次揭示了FoxQ2基因家族在内胚层发育中的潜在作用。

单细胞转录组分析揭示FoxQ2III阳性细胞的分子特征

为了更精确地鉴定表达FoxQ2III的细胞类型，研究人员对文昌鱼的单细胞转录组数据进行了深入分析。他们发现，在文昌鱼幼虫中，表达FoxQ2III的细胞主要富集于中肠，并且这些细胞表达一系列与脊椎动物肝细胞功能相关的基因，如纤维蛋白原（fibrinogen）、凝血因子（coagulation factors）和丝氨酸蛋白酶抑制剂（SERPIN）等。这表明，文昌鱼中表达FoxQ2III的中肠细胞可能具有与脊椎动物肝细胞相似的多功能特性，参与凝血和先天免疫反应等生理过程。

预测FoxQ2基因的保守调控序列

最后，研究人员试图揭示调控FoxQ2基因表达的上游机制。他们比较了五个不同文昌鱼物种中FoxQ2基因上游的非编码序列，并结合ATAC-seq（一种检测开放染色质区域的技术）数据，鉴定出了一系列保守的非编码序列（CNCSs）。通过生物信息学预测，他们发现这些保守区域中包含了多个潜在的转录因子结合位点。例如，在FoxQ2I的上游调控区域中，他们预测到了Meis、Pou6和SoxB等转录因子的结合位点，这些因子在调控前端外胚层发育中扮演着重要角色。而在FoxQ2III的上游调控区域中，则预测到了FoxA和Pdx等内胚层标志性转录因子的结合位点。这些发现为理解FoxQ2基因如何被精确地调控，以实现在不同胚层和组织中的特异性表达提供了重要线索。

结论与讨论

本研究通过整合系统发育学、基因组学和发育生物学等多种方法，系统地阐明了FoxQ2转录因子家族的进化历史。研究揭示了三个古老的FoxQ2旁系同源物（FoxQ2I、FoxQ2II和FoxQ2III）在动物界中的存在，并发现它们经历了截然不同的功能分化。

其中，FoxQ2I和FoxQ2II维持了保守的前端外胚层表达模式，参与构建动物的前端神经系统和感觉器官。而FoxQ2III则演化出了全新的功能，在脊索动物中特异性地表达于中肠内胚层，可能参与调控消化系统的发育和功能。这种功能的分化，很可能是通过基因重复后的亚功能化（Subfunctionalization）过程实现的，即祖先基因的多个功能被分配给了不同的后代基因。

这项研究不仅澄清了FoxQ2基因家族的进化历史，更重要的是，它揭示了一个全新的、与内胚层发育相关的FoxQ2功能域。这为理解转录因子家族如何通过基因重复和功能创新来驱动动物形态的多样性提供了新的范例。未来，通过功能缺失实验等手段，进一步探究FoxQ2III在内胚层发育中的具体作用，将有助于我们更深入地理解动物消化系统的进化起源。