蝙蝠翼发育中保守基因程序的进化再利用：单细胞比较分析揭示哺乳动物飞行器官形成的分子机制

本研究通过单细胞比较分析揭示了蝙蝠翼膜(chiropatagium)发育的分子机制，发现其起源于特定成纤维细胞群体而非凋亡相关细胞，这些细胞远端表达MEIS2和TBX3等近端肢体模式决定因子。研究人员证明该保守基因程序在进化中被重新利用，为理解哺乳动物飞行器官的形态创新提供了新见解。

　　

在脊椎动物进化史上，蝙蝠（翼手目）是唯一演化出自主飞行能力的哺乳动物，这一革命性创新依赖于前肢向翼的结构改造。蝙蝠翼的典型特征包括第二至第五指骨的极端延长以及连接指间的翼膜（chiropatagium）。然而，这种独特结构的发育起源和分子机制长期存在争议，特别是关于翼膜组织是源于凋亡抑制还是独立细胞谱系的问题。来自马克斯·普朗克分子遗传学研究所（Max-Planck Institute for Molecular Genetics）等机构的研究团队通过跨物种单细胞分析，揭示了蝙蝠翼发育的进化创新机制，相关成果发表在《Nature Ecology & Evolution》上。

研究人员采用多组学整合分析策略，关键技术包括：1）蝙蝠（Carollia perspicillata）和小鼠胚胎肢体的单细胞RNA测序（scRNA-seq）构建跨物种发育图谱；2）显微解剖蝙蝠翼膜组织的单细胞转录组分析；3）染色质可及性（ATAC-seq）和组蛋白修饰（H3K27ac ChIP-seq）检测；4）MEIS2转录因子的染色质免疫共沉淀（ChIP-seq）；5）基于CRISPR-Cas9的转基因小鼠模型构建。

保守的细胞组成与指间细胞死亡

通过整合蝙蝠和小鼠胚胎肢体的单细胞转录组数据，研究发现尽管存在显著形态差异，但两种物种的肢体细胞群体组成高度保守。特别值得注意的是，表达视黄酸（RA）代谢基因Aldh1a2和促凋亡因子Bmp2/Bmp7的3RA-Id细胞群在两种物种中都存在，且凋亡相关基因表达谱无显著差异。LysoTracker和cleaved caspase-3染色证实，蝙蝠前后肢的指间区域均存在细胞死亡现象，表明翼膜保留并非简单源于凋亡抑制。

蝙蝠翼膜的发育起源

显微解剖蝙蝠翼膜组织的单细胞分析显示，其主要由三类成纤维细胞构成（对应整合聚类中的8 FbA、10 FbI1和7 FbIr），而与凋亡相关的3RA-Id细胞仅占1%。RNA速率和伪时序分析揭示，蝙蝠前肢存在独特的MEIS2阳性细胞分化轨迹，该轨迹在小鼠或蝙蝠后肢中均未发现。这些远端表达的MEIS2+细胞同时高表达COL3A1、AKAP12和GREM1等基质相关基因。

近端基因程序的远端再利用

比较分析发现，蝙蝠翼膜成纤维细胞（10 FbI1）与近端成纤维细胞（8 FbA）共享223个差异表达基因，其中144个（65%）在两类细胞中均高表达。基因本体（GO）分析显示这些基因富集于间质增殖、细胞外基质（ECM）组织和变形虫样细胞迁移等过程。SCENIC网络分析将MEIS2确定为该基因程序的核心调控因子。远端蝙蝠前肢特异的染色质开放区域显著富集MEIS结合 motif，Hi-C数据进一步显示这些调控元件集中在特定的拓扑关联域（TADs）内，如TBX3基因座。

MEIS2和TBX3的远端表达诱导翼相关表型

利用Bmp2增强子驱动MEIS2或TBX3在转基因小鼠远端肢体的异位表达，研究者发现：1）突变体肢体中翼膜基因程序相关基因显著上调；2）细胞组成更接近蝙蝠翼膜成纤维细胞；3）三维成像显示自体荧光体积增加、指间组织保留和并指（syndactyly）等表型。定量分析证实突变体肢体的自体体积、细胞数量和结缔组织含量均显著增加。

这项研究系统阐明了蝙蝠翼发育的分子基础，提出进化创新可通过"空间重定位"现有发育程序实现的新范式。MEIS2/TBX3介导的近端基因程序在远端肢体的重新激活，不仅解释了翼膜形成的细胞起源，也为理解形态创新的进化机制提供了范例。从转化医学角度看，该发现为先天性肢体畸形（如并指症）的病因研究提供了新线索。研究建立的跨物种单细胞分析框架，为探索其他进化创新现象提供了方法论参考。