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为解决 BMP 信号在刺胞动物中的功能问题，研究人员开展关于刺胞动物 BMP 信号通路的研究。结果发现其参与多种过程，如触手形成等。这加深了对刺胞动物发育机制的理解，推荐科研读者阅读，一同探索其中奥秘。
在神秘的动物世界里，有一种奇妙的信号通路 ——BMP 信号通路，它在动物的生长发育过程中扮演着重要角色。BMP 信号通路（Bone Morphogenetic Protein signaling pathway，即骨形态发生蛋白信号通路）可有意思啦，它通过一系列复杂的 “操作” 来发挥作用。当二聚体 BMP 配体与由两个 II 型和两个 I 型受体组成的四聚体 BMP 受体复合物结合时，就像一把钥匙打开了锁，信号通路被启动。受体复合物会招募并磷酸化转录效应因子 SMAD1/5，SMAD1/5 再与共同介导因子 SMAD4 结合，形成一个由两个 SMAD1/5 分子和一个 SMAD4 组成的三聚体复合物。这个复合物就像一个 “传令兵”，会转移到细胞核中，调节 BMP 响应基因的表达，从而影响动物的各种生理过程。
BMP 信号通路的功能十分多样，在脊椎动物和无脊椎动物中都起着关键作用。它参与组织稳态的维持，就像是身体的 “小管家”，时刻保持组织的稳定；还与细胞凋亡（细胞程序性死亡）、细胞命运决定相关，决定着细胞未来的 “职业方向”；在配子发生、性腺发育和繁殖过程中也有它的身影，对生物的繁衍至关重要。此外，它在许多组织和器官的模式形成中发挥着重要作用，比如脊椎动物的肢体发育、昆虫的附肢形成，以及神经系统的发育等。
在动物进化的长河中，BMP 信号通路也有着有趣的故事。它并非双边动物（Bilateria）所特有，在双边动物的姊妹类群刺胞动物（Cnidaria）中也高度保守。刺胞动物包括珊瑚、海葵等珊瑚虫纲（Anthozoa）动物，以及水母、水螅等水螅虫纲（Medusozoa）动物。珊瑚虫纲动物和双边动物一样，具有双侧对称的身体结构，它们的 BMP 信号通路在形成和调控身体的 “指令轴” 方面发挥着重要作用。然而，水螅虫纲动物却有些特别，它们是辐射对称的，虽然基因组中也包含 BMP 信号通路的组件，但 BMP 信号通路在这些动物中的功能却一直是个谜。此前的研究发现，水螅虫纲动物中 BMP 通路基因在不同身体区域有广泛表达，但这些基因具体参与哪些生物学过程，是否与珊瑚虫纲动物和双边动物中的功能不同，都还不清楚。而且，在刺胞动物中，除了在轴向模式形成方面的研究，BMP 信号通路在其他发育过程中的作用也鲜为人知。
为了揭开这些谜团，研究人员在《BMC Biology》期刊上发表了一篇题为 “Multiple roles of BMP signaling in Cnidaria revealed by a whole - body atlas of BMP activity in Nematostella vectensis” 的论文。他们通过研究，得出了重要结论：发现 BMP 信号通路在刺胞动物中具有多种功能，参与触手形成、神经元发育以及配子或性腺生成等过程。这一发现意义重大，不仅加深了我们对刺胞动物发育机制的理解，还为研究动物进化过程中 BMP 信号通路的演变提供了重要线索。
在这项研究中，研究人员使用了多种技术方法。他们运用单 - 细胞转录组分析技术，研究 BMP 通路基因在不同细胞群体中的表达情况；通过免疫组织化学染色技术，利用针对 BMP 效应因子 pSMAD1/5 的抗体，观察 BMP 信号通路在成年海葵和水母不同身体区域的活性；还进行了原位杂交实验，检测 BMP 受体和配体基因的表达位置 。
下面我们来详细看看研究人员都有哪些有趣的发现。
单细胞 RNA - seq 数据分析：BMP 信号通路 “暗潮涌动”
研究人员首先对成年星状海葵（Nematostella vectensis）的单细胞 RNA - seq 数据进行分析。他们发现，BMP 受体和效应因子虽然表达水平较低，但表达范围却很广，在多个细胞簇中都能检测到。就像星星点点的灯光，虽然亮度不高，但分布在各处。BMP 配体的表达则呈现出空间上的分隔，不同的配体在不同的细胞类型中表达。这表明 BMP 信号通路可能在各种细胞群体中发挥作用，存在少数 “信号分泌” 细胞向更广泛的 “信号接收” 细胞传递信息的现象。而且，BMP 通路基因在不同细胞亚群中的表达存在差异，进一步暗示了其功能的复杂性。
BMP 信号形成独特活性区域：身体里的 “信号地图”
为了深入探究与轴向模式形成无关的 BMP 信号通路功能，研究人员利用一种能识别 pSMAD1/5 的抗体，对成年海葵的 BMP 信号活性进行分析。他们发现，在成年海葵中，pSMAD1/5 的活性在表皮和胃皮这两个上皮体层中形成了独特的区域。在表皮，除了口腔区域外，大部分上皮都没有 pSMAD1/5 活性。而在口腔区域，BMP 信号在触手间的空间以及纵向的表皮条纹中都能检测到。在胃皮中，BMP 信号沿身体的口 - 反口轴（oral - aboral axis，即从口部到反口端的轴线）都很明显，尤其是在隔膜（gastrodermal epithelium partitioning the gastric cavity，胃皮上皮形成的褶皱，将胃腔分隔开来）中，pSMAD1/5 活性非常高。而且，隔膜不同部位的 BMP 信号活性存在差异，这就像身体里有一张独特的 “信号地图”，不同区域有着不同的信号 “标记”。
胃皮 BMP 信号沿隔膜轴分布差异：“信号阶梯”
研究人员进一步分析了隔膜不同部分的 pSMAD1/5 活性。他们发现，在隔膜的基部（神经肌肉隔膜），BMP 信号在口 - 反口轴上最为一致，从咽部到身体后端都有持续且明显的信号活性。而在隔膜的顶端（隔膜丝，cnidoglandular tract，含有刺细胞和腺体的区域），虽然细胞核中 pSMAD1/5 较少，但常常有一些非特异性的细胞质或囊泡信号。在隔膜的中间部分，pSMAD1/5 染色则根据身体区域的不同而有所差异。在咽部和上咽下部区域，BMP 信号广泛活跃，而在下部区域、性腺区域和营养区域，pSMAD1/5 则减少或缺失。这种差异就像一个 “信号阶梯”，不同高度有着不同的信号强度。
中间和顶端隔膜区域的特殊情况：信号的 “矛盾现象”
研究人员还发现，中间和顶端隔膜区域的 BMP 信号活性较低，但 BMP 表达却增加了。通过原位杂交分析，他们检测到 BMP 受体在隔膜丝的部分区域有表达，并且在性腺区域的网状和纤毛状区域表达上调。同时，BMP 配体基因也在隔膜丝中表达，不过有趣的是，其表达位置与 pSMAD1/5 活性的位置互补。在性腺中，BMP 信号通路的多个组件在体细胞性腺的胃皮中都有表达，并且一些组件在成熟配子中也有沉积，但在不同性别中存在差异。这一系列 “矛盾现象” 让研究人员对 BMP 信号通路在这些区域的功能更加好奇。
BMP 信号与生殖细胞和干细胞的关系：神秘的 “擦肩而过”
之前的研究表明，vasa2 蛋白可以标记星状海葵的原始生殖细胞、成熟卵母细胞和精原细胞，还能标记一种可能的干细胞群体。研究人员通过免疫染色发现，vasa2 阳性的细胞与 pSMAD1/5 阳性的细胞没有重叠。也就是说，BMP 信号在这些 vasa2 阳性的生殖细胞和干细胞中似乎是 “缺席” 的。不过，在性腺区域，研究人员发现了一些特殊情况，BMP 信号在与生殖细胞密切接触的辅助细胞（如雌性的滋养细胞和雄性的纤毛塞细胞）中有活性，并且这些辅助细胞表达 BMP 配体和拮抗剂。这表明 BMP 信号可能在生殖细胞的发育过程中通过这些辅助细胞发挥着某种作用，但具体机制还不清楚。
水螅虫纲动物的 BMP 信号：“点亮” 不同身体区域
研究人员还对水螅虫纲的两种动物 —— 海月水母（Aurelia coerulea）和箱水母（Tripedalia cystophora）的 BMP 信号进行了研究。他们发现，在海月水母的螅状体阶段没有观察到 BMP 信号活性，但在碟状体阶段，BMP 信号在身体的不同部位都有活性，如中央盘、缘瓣和感觉器官等。在箱水母中，BMP 信号在幼年和成年水母的多个身体部位都能检测到，而且在雌性性腺的生殖细胞中，BMP 信号是活跃的，这与星状海葵的情况有所不同。这说明 BMP 信号在水螅虫纲动物中同样广泛参与了多种生物学过程，并且在不同物种间可能存在功能上的差异。
研究人员通过对星状海葵、海月水母和箱水母的研究，揭示了 BMP 信号通路在刺胞动物中的多种功能。BMP 信号通路不仅参与了触手的形成，还在神经元、肌肉和刺细胞的发育以及生殖过程中发挥着重要作用。这些发现为我们理解刺胞动物的发育和进化提供了新的视角，也让我们对 BMP 信号通路在动物界的功能多样性有了更深入的认识。未来，研究人员可以进一步探究 BMP 信号通路与其他信号通路之间的相互作用，以及在不同环境条件下 BMP 信号通路的变化，这将有助于我们更全面地了解动物的发育机制和进化历程。就像打开了一扇通往刺胞动物发育奥秘的大门，让我们看到了一个全新的微观世界，而这个世界里还有许多未知等待着我们去探索。
