双胚层动物Nematostella vectensis中内胚层和中胚层身份分离的分子机制揭示三胚层特征的古老起源

本研究通过单细胞转录组分析和信号通路调控实验，揭示了海葵Nematostella vectensis中内胚层-中胚层身份分离的分子机制。研究人员发现MAPK信号激活中胚层基因表达，β-catenin信号抑制中胚层形成，而Notch信号在两者边界诱导内胚层发育。该发现挑战了传统双胚层动物概念，为三胚层特征的进化起源提供了新见解，论文发表于《Nature Communications》。

　　

在动物发育生物学领域，胚层形成机制一直是揭示多细胞动物进化奥秘的关键。传统认为刺胞动物（Cnidaria）作为两侧对称动物（Bilateria）的姐妹群，仅具有内、外两个胚层，而中胚层是两侧对称动物特有的创新特征。然而近年研究发现，海葵Nematostella vectensis的内层细胞表达大量中胚层标志基因，其衍生组织（肌肉、性腺等）也与两侧对称动物的中胚层衍生物相似，这向经典的双胚层理论提出了挑战。

为解析这一进化发育难题，Emmanuel Haillot等研究团队在《Nature Communications》发表了突破性研究成果。他们聚焦三个核心科学问题：刺胞动物是否存在真正的三胚层身份分离？这些胚层如何被精确调控？其分子机制与两侧对称动物有何异同？通过多维度实验，研究人员不仅证实了海葵存在三胚层特征，更揭示了其调控机制与棘皮动物惊人的相似性，暗示三胚层特征可能起源于更早的共同祖先。

研究主要采用四大关键技术：单细胞RNA测序绘制早期胚胎时空转录图谱；特异性抑制剂（U0126、AZ、LY411575）调控MAPK、β-catenin和Notch信号通路；形态学观察结合免疫荧光定位关键蛋白（pERK、NICD）；转基因技术过表达Notch胞内域（NICD）进行功能验证。实验样本为实验室培养的N. vectensis胚胎，时间跨度从受精后6小时至48小时。

Mesoderm and ectoderm segregate before the endoderm

单细胞转录组分析显示，中胚层基因（tbx19-like、gsc2-like等）在受精后6小时率先激活，形成动物极特化区域。8-12小时后，内胚层标志物（brachyury、foxA等）才在"中胚层-外胚层"边界出现。这种时序差异暗示中胚层身份确立是内胚层诱导的前提条件。

β-catenin signaling promotes ectodermal and restricts mesodermal identity

通过GSK3β抑制剂（AZ）和β-catenin吗啉环寡核苷酸（MO）处理，发现β-catenin信号呈现双重功能：在动物极抑制中胚层基因（fgfa1、tbx19-like），同时在其余区域激活外胚层标志物（six3/6）。这种"双阀门"调控确保中胚层仅在特定区域发育。

MAPK signaling is essential for mesoderm specification

磷酸化ERK（pERK）免疫染色显示MAPK信号在中胚层前体细胞核内富集。MEK抑制剂U0126处理完全阻断了中胚层基因表达，导致胚胎无法完成原肠形成。有趣的是，研究人员发现丝氨酸/苏氨酸激酶Mos2可能是MAPK通路上游激活因子，其过表达能诱导中胚层基因的异位表达。

MAPK and β-catenin signaling suppress the default aboral ectodermal identity

当同时抑制MAPK和β-catenin信号时，胚胎恢复外胚层默认状态（six3/6全域表达），证明这两种信号共同压制了胚胎的"基础外胚层程序"。这一发现解释了早期研究中β-catenin MO单独处理导致中胚化现象的本质。

Endoderm segregation requires Notch signaling

时空表达谱显示：Delta配体在中胚层表达，Notch受体在外胚层分布，而内胚层标志物foxA恰位于两者交界处。Notch抑制剂LY411575选择性消除内胚层基因表达，而过表达NICD-mCherry则能异位激活foxA。这种"边界诱导"机制与棘皮动物内胚层形成高度保守。

这项研究通过精细的发育生物学实验，提出全新的胚层进化模型：在N. vectensis中，MAPK与β-catenin信号的拮抗作用首先划分中胚层-外胚层边界，随后Delta-Notch信号在界面处诱导内胚层形成。该机制与棘皮动物的相似性强烈暗示，三胚层特征可能起源于6亿年前的冠群后生动物共同祖先。这一发现不仅重新定义了刺胞动物的胚层属性，更为理解动物体构进化提供了关键分子框架。