脆海星Amphipholis squamata前后轴模式研究揭示棘皮动物体轴演化新机制

为解决棘皮动物五辐射对称体轴与两侧对称祖先的演化关系难题，斯坦福大学团队以脆海星Amphipholis squamata为模型，通过21个AP（前后轴）模式基因表达分析，发现其与海星类似的"步带区-前端"（ambulacral-anterior）分子部署模式，证实该模式在棘皮动物冠群演化中的保守性，为理解体轴重组机制提供重要比较数据。

　　

棘皮动物独特的五辐射对称体轴如何从两侧对称祖先演化而来，一直是动物学领域的百年难题。作为后口动物的重要分支，海星、海胆等现存棘皮动物虽然成年后呈现完美的五倍对称，但其胚胎发育仍保留两侧对称特征，这种形态学的巨大转变使得轴向同源性的鉴定变得异常困难。传统模型如"复制假说"（duplication hypothesis）和"堆叠模型"（stacking model）各执一词，而近年来在 Patiria miniata（海星）中提出的"步带区-前端"（ambulacral-anterior）模型为这一问题提供了新视角——该模型认为两侧对称动物的前后轴模式程序被重新部署到五辐射腕的中间外侧轴上。然而，这一假说是否适用于其他棘皮动物类群仍待验证。

斯坦福大学Hopkins海洋站的L.Formery和C.J.Lowe团队选择脆海星Amphipholis squamata（蛇尾纲）开展研究，该物种与海星同属星形动物亚门（Asterozoa），但具有高度分节的可弯曲腕足和皮下神经索等独特特征。研究人员通过长读长转录组测序（PacBio Iso-Seq）获取21个AP模式基因序列，采用全胚胎荧光原位杂交链式反应（HCR）技术，系统分析了从胚胎到幼体的发育过程中这些基因的三维表达模式。

关键技术包括：（1）活体培养和连续发育阶段样本采集；（2）钙黄绿素（calcein）骨骼标记结合共聚焦成像构建解剖学参考；（3）多基因HCR探针设计实现高分辨率空间表达谱分析；（4）肌肉标记（MHC）和神经标记（elav/FMRFamide）共定位确定组织结构。样本来自美国华盛顿州Friday Harbor的野生种群。

形态发育与解剖结构
研究首先建立了A. squamata从胚胎到幼体的完整发育时序。不同于典型蛇尾类的浮游幼体，这种胎生物种的幼体直接在水囊中发育，经历五边形阶段后通过节间插入形成分节腕足。解剖学分析揭示其神经索由外神经上皮（ectoneural）、神经丛（plexus）和下神经上皮（hyponeural）组成，肌肉系统则以节间肌（intervertebral muscles）为特征，为基因表达提供空间参照。

前端标记基因表达
hedgehog、sfrp1/5、fzd5/8等前端头区标记基因在放射神经索中线持续表达，其中hedgehog局限于最口腔侧的细胞层，而sfrp1/5跨越整个外神经上皮厚度。转录因子six3/6在神经节（brachial ganglia）中呈现中线偏外侧的表达，nkx2.1则形成离散的神经节表达域，与elav⁺神经元分布重叠。这种模式与海星P. miniata基本一致，证实前端分子程序在步带区中线的保守部署。

后端头区标记特征
irx、dmbx和otx在腕足表皮和管足基部表达，但otx在神经索中的表达仅限于神经节间区，与nkx2.1形成互补模式。pax6严格限定于管足表皮，而barH在管足尖端也有表达。比较分析显示，虽然具体表达域存在类群特异性调整，但管足表皮作为"后端头区"的分子身份在棘皮动物中具有深远的演化保守性。

头-躯干边界基因变异
gbx和hox1在神经节外侧区域表达，与海星中位于步带区-间步带边界的情况不同。pax2/5/8呈现复杂表达模式，同时在神经索、管足和发育中的棘刺中活跃。这种差异可能反映蛇尾类缺乏典型步带沟的形态特化。

Hox基因的非常规表达
hox4在腕表皮表达，hox5/hox7在外神经上皮特定细胞簇表达，打破了棘皮动物Hox基因不在外胚层表达的常规认知。而hox8在水管系统（ring canal）和hox9/10在体腔的表达则与其他类群一致，显示内胚层/中胚层Hox程序的高度保守。

研究结论指出，A. squamata数据支持"步带区-前端"模型在星形动物中的普适性，证实棘皮动物冠群演化中已建立将两侧对称AP程序重排至中间外侧轴的发育机制。蛇尾类特有的基因表达变异（如Hox基因的外胚层表达）可能与其高度特化的分节腕足相关。该研究通过多类群比较，成功区分了棘皮动物基干特征（如步带区的前端属性）与冠群特化特征（如神经索内部分子模式重组），为理解五辐射体轴起源提供了关键分子框架。论文发表于《EvoDevo》凸显了比较发育生物学在解决宏观演化难题中的价值。