头足类与脊椎动物视觉系统的趋同进化：基于日本小头乌贼单细胞转录组学的细胞类型演化解析

本研究通过单细胞转录组学技术解析了日本小头乌贼(Euprymna berryi)视觉系统的细胞类型组成，揭示了其视网膜仅含4种细胞类型的简约特征，而视叶却包含26种神经元亚型的复杂结构。研究发现视叶多巴胺能神经元随年龄增长的动态变化，鉴定出FMRF-amide作为视叶到视网膜的逆行信号分子，并通过比较基因组学揭示了基因复制在神经细胞类型多样化中的重要作用。该研究为理解复杂视觉系统的趋同进化提供了分子层面的新见解，论文发表于《Nature Ecology & Evolution》。

　　

在生物进化史上，脊椎动物和头足类动物独立演化出了高度相似的相机眼结构，这一现象被称为趋同进化。尽管两者眼睛的解剖结构差异显著——脊椎动物视网膜是"倒置"的，光需穿过神经节细胞层才能到达感光细胞，而头足类的感光细胞则直接接受光线刺激，但两者都发展出了卓越的图像处理能力。这种惊人的趋同现象引发了一个核心科学问题：在分子和细胞水平上，两种截然不同的进化路径如何实现相似的功能？为解答这个问题，来自英国伦敦大学学院、日本冲绳科学技术大学院大学等机构的研究团队选择日本小头乌贼(Euprymna berryi)为模型，通过单细胞转录组学和比较基因组学方法，首次系统解析了头足类视觉系统的细胞类型组成及其进化机制，相关成果发表在《Nature Ecology & Evolution》。

研究团队主要采用了以下关键技术：首先完成了E.berryi染色体级别基因组组装(5.9Gb)和注释；其次通过单细胞RNA测序分析了98,537个细胞，包括视网膜(15,223细胞)、幼体和成体视叶(45,465细胞)以及非视觉器官；结合显微CT成像技术追踪了视叶发育过程中的形态变化；运用杂交链式反应(HCR)进行细胞类型空间定位验证；通过比较基因组学分析了神经相关基因家族的进化历史。

视网膜细胞类型的简约性与多样性
研究发现E.berryi视网膜仅包含4种细胞类型，其中两种是表达不同视蛋白(r-opsin1和r-opsin2)的感光细胞。令人意外的是，这两种感光细胞亚型分别表达不同的视蛋白 paralogues：感光细胞r1表达r-opsin1和视黄醇结合蛋白(RABP)，而感光细胞r2则特异性表达r-opsin2和神经发育标记Musashi。HCR空间定位显示r-opsin1在视网膜基底膜附近表达，暗示其可能占据更近端的位置。与脊椎动物感光细胞类似，这些rhabdomeric感光细胞使用谷氨酸作为神经递质，这与果蝇感光细胞使用组胺形成鲜明对比。视网膜中还鉴定出两类色素细胞：一类(Pigmented2)共表达光转导基因但不表达神经元标记Sy65，对应文献描述的基底膜下支持细胞；另一类(Pigmented_tyro)特异性表达酪氨酸酶(Tyro)，在瞳孔周围形成环状分布。

视叶细胞类型的复杂性与发育动态
与简约的视网膜形成鲜明对比，成体视叶包含26种主要细胞群体，其中22种为分化神经元。多巴胺能神经元占主导地位(12/22)，表达多巴胺合成酶(Ty3h和Ddc-2)及转运体(Dat-2和Vmat2-2)。研究发现视叶神经元采用细胞类型特异的神经递质受体"编码"模式——每个神经元群体表达独特的乙酰胆碱和单胺类受体组合。引人注目的是，多巴胺能神经元同时表达低水平的囊泡谷氨酸转运体(VgluT)，这种谷氨酸-多巴胺共传递现象以往仅在哺乳动物腹侧纹状体等少数脑区被发现。通过HCR空间定位，研究确认视叶中的多巴胺能神经元5和6群位于视叶髓质，呈玫瑰花结样排列，这些细胞表达Pax6和FMRF-amide转录本，符合Young描述的离心细胞特征。由于FMRF-amide肽能在视网膜被检测到而其转录本仅存在于视叶，提示FMRF可能是视叶向视网膜发送逆行信号的分子载体。

视叶成熟过程中的细胞类型重塑
显微CT显示视叶从孵化后1天到80天经历显著形态变化(从半球形变为肾形)，但皮质与髓质的体积比保持恒定。单细胞转录组比较发现孵化1天的幼体视叶仅含2个多巴胺能细胞群，而成体增至12个；幼体特有的酪胺能和血清素能神经元在成体中未被检出。神经递质受体组合也随年龄发生显著变化，表明视叶神经元在孵化后仍经历持续分化。这种发育模式与哺乳动物关键期可塑性类似，可能反映了头足类终身学习能力的细胞基础。

视觉系统的进化起源与基因复制
比较基因组分析揭示了神经相关基因家族的显著扩张，特别是离子型乙酰胆碱受体亚基和螺旋动物特异性谷氨酸受体家族。这些扩张基因主要分布在4号和5号染色体的复制热点区，与其它螺旋动物(如环节动物、软体动物)的平行扩张形成有趣对比。系统发育分析表明，E.berryi保留了比其它后生动物更完整的双侧对称祖先神经基因库，包括在蜕皮动物或脊椎动物中已丢失的亚家族。研究还发现视叶神经元细胞类型标记基因主要来源于泛双侧对称动物基因家族，而非神经元细胞(如血细胞、胶质细胞)的标记则更多来自谱系特异性新基因。特别值得注意的是，视叶中62.3%的细胞类型特异性标记基因经历过软体动物或头足类特异性的复制事件。

这项研究通过高分辨率单细胞图谱揭示了头足类视觉系统在细胞和分子层面的独特性与保守性。一方面，