脊索动物Brachyury基因顺式调控元件SFZE的深度同源性与脊索起源的进化机制

研究人员针对脊索动物标志性结构脊索的进化起源问题，通过跨物种比较基因组学揭示了Brachyury基因保守的顺式调控语法SFZE（Su(H)-Foxh1-Zic-Ets）。该研究首次在单细胞真核生物到脊椎动物中鉴定出这一古老调控模块，证明非脊索动物的SFZE元件能在斑马鱼脊索中激活转录。通过功能实验证实Foxh1和Ets位点的时空特异性调控机制，提出脊索可能起源于内胚层细胞的共进化假说，为发育生物学"深同源"理论提供了关键证据。

　　

在生命演化的壮阔史诗中，脊索的出现标志着脊椎动物谱系的关键转折。作为脊索动物的标志性结构，脊索不仅是胚胎发育的中轴支架，更是脊椎形成的组织者。然而这个革命性结构的进化起源始终是发育生物学领域的重大谜题。已知脊索发育的核心调控因子Brachyury（T-box转录因子家族成员）在脊索动物中呈现保守的脊索表达模式，但在非脊索动物中仅表达于内胚层等组织。这种表达域的进化转变如何发生？是基因组顺式调控元件（CRM）的革新还是古老调控模块的再利用？

中国科学院生物物理研究所的研究团队在《SCIENCE ADVANCES》发表的研究给出了突破性答案。他们通过跨物种大规模比较基因组分析和功能实验，发现了一个跨越从单细胞生物到脊椎动物的深度保守调控语法——SFZE（Su(H)-Foxh1-Zic-Ets）顺式调控模块。这项研究不仅揭示了脊索发育的深层调控密码，更重塑了我们对重大进化创新的认知框架。

研究团队运用多组学联分析策略：通过ATAC-seq（转座酶可及染色质测序）和ChIP-seq（染色质免疫沉淀测序）定位各物种Brachyury基因座的潜在增强子；采用细菌人工染色体（BAC）转基因和荧光报告系统在斑马鱼、半索动物和海胆中进行功能验证；结合双荧光原位杂交精确定位报告基因表达模式；利用位点特异性突变解析关键转录因子结合位点的功能。

Ambulacrarian brachyury BACs are active in zebrafish
研究发现半索动物Ptychodera flava的Pfbra:gfp BAC在斑马鱼胚胎中能激活脊索前体细胞表达，而海胆Strongylocentrotus purpuratus的Spbra:gfp BAC活性较弱。双标记实验证实GFP信号定位于脊索标记基因Drntl表达区域，提示非脊索动物的Brachyury调控元件能响应脊索发育信号。

Hemichordate PfCRM2 is active in the notochord
通过染色质开放性分析鉴定出PfCRM2增强子，其在斑马鱼脊索中的活性与已知脊索增强子Drntl-1kb相当。序列比对发现尽管缺乏序列保守性，但功能等价性提示存在深层调控规则。

SFZE syntax of brachyury notochord enhancers
在斑马鱼和海鞘的脊索增强子中发现保守的转录因子结合位点排列模式：Su(H)-Foxh1-Foxh1-Zic-Ets构成SFZE语法，其中Zic和Ets位点呈面对面取向，Foxh1与Zic同向排列。这种严格的空间组织在核小体尺度（<147bp）内形成功能单元。

Deep homology of the SFZE syntax
令人震惊的是，SFZE语法广泛存在于果蝇、海葵等非脊索动物乃至单细胞近动物类群Capsaspora中。这些异源增强子在斑马鱼脊索中均显示转录活性，其中果蝇DmCRM1活性与脊椎动物增强子相当，证实SFZE的深度保守性可追溯至前动物时代。

Foxh1 and Ets sites are functionally important
位点突变实验显示，半索动物PfCRM2中Foxh1位点缺失使报告活性降低，Ets位点突变则完全丧失脊索活性，说明FGF信号通路（通过Ets）在脊索表达调控中起核心作用，而Nodal信号（通过Foxh1）具有增效功能。

SFZE syntax in vertebrate brachyury paralogs
脊椎动物全基因组复制后，tbxta和tbxtb两个旁系同源基因均保留SFZE语法。但哺乳动物中该模块的脊索活性可能被后期进化的T3/C/I增强子替代，解释为何小鼠Mmbra近端增强子仅保留原肠表达活性。

SFZE syntax confers endoderm activity
海胆SpCRM4的SFZE语法主要驱动内胚层表达，且Ets和Foxh1位点分别调控原肠早期和晚期的活性。这种时空调控的解耦现象暗示脊索表达可能通过共进化内胚层调控网络而产生。

这项里程碑式的研究建立了三个重要范式：首先，SFZE语法作为迄今最古老的顺式调控模块之一，其起源早于多细胞动物的出现；其次，脊索可能通过"内胚层共进化"机制产生，即古老的内胚层增强子被Nodal/FGF信号网络改造为脊索特异性调控元件；最后，基因复制后的调控模块功能分化（subfunctionalization）是脊椎动物发育程序进化的重要驱动力。该发现不仅解答了脊索起源的世纪难题，更为"深同源"理论提供了迄今最有力的分子证据，对理解重大进化创新的产生机制具有深远意义。