果蝇形态创新中Notch信号通路的双重功能：从生殖盘外翻到生殖器后叶发育的进化机制

研究人员针对形态创新（morphological novelty）的进化机制这一核心问题，以果蝇雄性生殖器后叶（posterior lobe）这一新结构为模型，揭示了Notch信号通路配体Delta通过增强子进化获得新功能的分子机制。研究发现Delta信号中心源于生殖盘外翻（genital disc eversion）的古老功能，其空间表达扩展与顶端细胞外基质（aECM）网络共同调控后叶发育。该成果发表于《Science Advances》，为理解保守信号通路如何整合到新发育程序中提供了范例。

　　

在生物多样性形成的宏大命题中，形态创新（morphological novelty）的起源始终是进化发育生物学的核心谜题。虽然已知Wnt、Hedgehog等核心信号通路在蝴蝶眼斑、龟壳等复杂结构的形成中发挥关键作用，但科学家们长期困惑于这些古老通路如何被"招募"到全新发育程序中。更棘手的是，多数经典模型（如蝙蝠翅膀）因演化历史久远，其祖先发育背景已难以追溯。

这一困局在果蝇雄性生殖器后叶研究中迎来转机。这个仅存在于黑腹果蝇（Drosophila melanogaster）谱系、约1160万年前才出现的新结构，为在微观时间尺度解析形态创新提供了理想模型。Science Advances最新研究揭示，这个曾被认为简单的形态创新背后，竟隐藏着Notch信号通路从古老功能到新功能演化的精彩故事。

研究人员采用多学科交叉策略展开攻关：通过比较基因组学分析黑腹果蝇与无后叶的近缘种（如D. ananassae和D. biarmipes）；运用CRISPR-Cas9基因编辑构建增强子缺失突变体；采用原位杂交和免疫荧光追踪Delta配体时空表达；结合RNAi干扰和过表达实验验证功能；借助转基因报告系统解析调控进化。特别值得注意的是，研究建立了从三龄幼虫（L3）到蛹期（APF）的连续发育追踪体系。

【RESULTS】

物种特异性Delta表达对后叶发育至关重要

通过筛选主要信号通路配体，发现Notch配体Delta在后叶形成区呈现黑腹果蝇特有的空间扩展表达模式。与非后叶物种相比，Delta在蛹期36小时（36h APF）的表达范围扩大3倍。功能实验证实，RNAi敲降Delta导致后叶尺寸缩减，而过表达Notch胞内结构域（NICD）则使后叶增大，表明Notch信号剂量与后叶大小存在直接关联。

部分冗余的转录增强子调控Delta表达

在全基因组范围内筛选出两个后叶相关增强子：位于Delta基因下游36kb的enhancer1和60kb处的enhancer2。令人意外的是，单个增强子的CRISPR缺失（Δenhancer1或Δenhancer2）均未影响后叶发育，暗示存在功能冗余。最小功能单元定位显示，enhancer1和enhancer2分别包含730bp和900bp的核心调控序列。

Delta/Notch信号中心早于后叶形成

发育时序分析揭示enhancer2在三龄幼虫生殖盘（genital disc）即已激活，比后叶形成提早3.5天。该信号中心持续追踪至蛹期20小时（20h APF）外翻的生殖器原基，最终定位于后叶形成区。比较研究表明，这种早期活性在无后叶物种中同样保守。

Delta调控顶端细胞外基质网络

发现巨大胞外蛋白Dumpy（长度达2.5μm）是Delta下游效应分子。在幼虫期，Dumpy沉积于Delta阳性细胞顶端形成机械支撑网络；RNAi敲降Delta导致Dumpy组织紊乱。进化上，Dumpy从参与生殖盘外翻的古老功能扩展到后叶形成的新功能。

【DISCUSSION】

这项研究颠覆了"形态创新源于新信号通路招募"的传统认知，提出"古老信号扩展"的新范式：黑腹果蝇后叶的进化并非从头创造信号系统，而是通过增强子进化（enhancer1功能转移和enhancer2新功能获得）将既有的Delta/Notch信号中心空间扩展，同时整合其下游古老的aECM网络。这种"旧瓶装新酒"的策略，既保证了新结构的稳健发育，又避免了重建整个调控网络的高昂代价。

该发现为理解其他复杂结构的起源提供启示：海龟壳、鸟类羽毛等宏观创新可能同样源于古老信号中心的时空扩展。研究还展示了进化发育研究的黄金法则——选择适当演化时间尺度的模型至关重要，过久远的模型会丢失关键过渡态信息。值得一提的是，Delta调控的冗余增强子架构提示，形态创新可能更易发生在具有强缓冲能力的发育系统上。