单细胞测序揭示蜘蛛附肢模式形成与关节发育的新机制：从基因调控网络到进化起源

这篇综述通过单细胞测序(SCS)技术，在蜘蛛(Parasteatoda tepidariorum)胚胎中鉴定出一个与附肢模式形成和关节发育相关的细胞簇(C3)，并分析了其标志基因(dysf、disco、odd-r3等)的表达特征。研究揭示了这些基因在节肢动物关节发育中的潜在新功能，并通过比较分析盲蛛(Phalangium opilio)的直系同源基因，探讨了其进化起源。该工作凸显了SCS在发现发育过程新遗传因子方面的价值，为节肢动物关节发育的基因调控网络(GRN)研究提供了新视角。

　　

1 INTRODUCTION

节肢动物分节附肢是其关键创新特征之一，其发育与进化机制的研究对理解该门类的成功演化至关重要。蜘蛛作为螯肢动物代表，其前体附肢包括螯肢、须肢和步足三种类型，这些附肢通过关节连接形成功能单元。传统候选基因方法在果蝇(Drosophila melanogaster)和赤拟谷盗(Tribolium castaneum)中揭示了关节发育的基因调控网络(GRN)，但在其他节肢动物类群中研究有限。单细胞测序(SCS)技术的应用为突破这一局限提供了新途径。

2 RESULTS

2.1 基因同源性与命名

通过系统发育分析确认了蜘蛛和盲蛛中C3细胞簇标志基因的直系同源关系。其中odd-skipped家族基因被命名为odd-r1/2/3，与蜘蛛Cupiennius salei的命名系统保持一致。spz3.1基因与节肢动物spz4基因形成姐妹群，而Klf1/2/4基因则与人类同源基因聚类。

2.2 基因表达特征

dysfusion(dysf)在所有发育中的附肢关节处呈环状表达，与关节数量完全对应。disconnected(disco)的两个旁系同源基因disco1和disco2表达模式相似但存在互补：disco1在脑部表达较弱，而disco2在螯肢关节处表达更显著。odd-skipped-related3(odd-r3)在附肢中形成7-8个表达环，并在胚胎后端分节区呈现条纹状表达。

值得注意的是，sp?tzle3.1(spz3.1)作为Toll样受体配体家族成员，意外地在所有关节处呈现环状表达模式。sine oculis-binding protein(sobp1)则主要在胫节和跗节交界处形成单一强表达环。通过双标记原位杂交证实，sobp1的表达区位于dachshund-2(dac2)标记的膝节远端。

2.3 跨物种比较

在盲蛛中，dysf和disco基因同样在所有关节处呈现环状表达。odd基因在附肢中形成7个表达环，与步足关节数一致。spz3的表达模式在两种螯肢动物中高度保守，提示其在关节发育中的功能可能具有古老起源。然而klg-like基因在蜘蛛中呈现关节特异性表达，而在盲蛛中仅表现为远端斑块状表达，显示功能分化。

3 DISCUSSION

3.1 C3细胞簇的功能解析

C3细胞簇标志基因可分为三类：1)在所有关节表达的"核心基因"(如dysf、disco、odd-r3)；2)在特定关节表达的"辅助基因"(如sobp1)；3)功能未知的新基因(如unc4516)。这些基因可能通过Notch和EGFR等保守信号通路协同调控关节形成。

3.2 进化发育启示

比较基因组学显示，许多C3标志基因在螯肢动物中经历了基因复制(如disco、svp、Tox-like等)，可能通过亚功能化参与关节发育。特别值得注意的是，spz3.1作为免疫相关基因在关节中的表达，暗示节肢动物附肢发育可能与先天免疫系统存在古老的功能关联。

4 FUTURE PERSPECTIVES

未来研究需结合RNA干扰(RNAi)和杂交链式反应(HCR)等技术，在更多节肢动物类群中验证这些候选基因的功能。特别需要关注：1)基因复制事件对关节发育调控网络的影响；2)保守信号通路(如Notch)与新发现因子间的相互作用；3)关节形态发生过程中细胞命运的精确追踪。

5 EXPERIMENTAL PROCEDURES

研究采用标准化实验流程：通过TRIZOL法提取胚胎总RNA，使用T7启动子标记引物合成地高辛标记探针，采用统一原位杂交方案分析基因表达模式。系统发育分析采用MRBAYES软件，运行50-200万次MCMCMC循环计算基因拓扑结构。