半索动物中不同细胞状态界定幼虫与成体身体构型

《Nature Communications》：Distinct cell states define larval and adult body plans in a hemichordate

　　

动物发育研究中的一个主要空白是间接发育动物中成体身体构型如何由显著不同的幼虫形态经变态（metamorphosis）转化而形成。研究人员以具有复杂生活史与剧烈变态的肠鳃类半索动物Schizocardium californicum为对象，采用全个体单细胞RNA测序（single-cell RNA sequencing，scRNA-seq）绘制幼虫、变态期与成体阶段的细胞组成和转录动态。组织水平图谱显示，幼虫与成体的外胚层（ectoderm）和内胚层（endoderm）细胞类型占据不同转录空间，更类似于同一生活史阶段内的其他细胞类型，而非相对阶段的对应类型；相反，中胚层（mesoderm）细胞类型在幼虫与成体间聚得很近，表明其转录谱保守。这些发现说明变态期间的广泛形态重组伴随转录身份的大范围转换，并揭示生活史阶段是幼虫到成体转变过程中细胞状态的主要组织轴。

研究背景方面，目前对成体发育的理解主要来自少数直接发育模型物种，胚胎发生期即形成成体身体构型；而许多动物通过变态由幼虫身体构型转变为成体，间接发育在两侧对称动物中广泛分布，甚至被认为可能是后生动物祖先发育策略。但既有单细包转录组研究多聚焦直接开发者或胚胎与早期幼虫，幼虫细胞命运以及变态期间细胞动态变化仍不清楚。半索动物作为棘皮动物姐妹群，在探讨后口动物与脊索动物演化中具有关键系统发育位置；Schizocardium californicum具tornaria幼虫，幼虫似“头部幼虫”，缺Hox模式化躯干，成体经剧烈变态形成可穴居、具吻、领、躯干与咽鳃裂的蠕虫。先前形态学提示变态不涉及大规模幼虫细胞死亡，幼虫细胞可能带入成体，但细胞类型层面证据不足。因此研究人员开展跨生活史单细包转录组与谱系追踪，以弄清幼虫与成体身体构型是否由不同细胞状态构成。

主要关键技术方法方面，研究人员以Schizocardium californicum为材料，取样五个生活史阶段即早期幼虫、晚期幼虫、变态中期、早期幼体、晚期幼体构建全个体细胞悬液进行单细包转录组测序（scRNA-seq）；用已知标记基因、新发现簇标记与功能注释将细胞归为12类；以杂交链反应（Hybridization Chain Reaction，HCR）荧光原位杂交验证细胞类型空间表达；用Harmony与Portal等整合方法排除批次造成的幼虫—成体分离假象；并以EdU（5-ethynyl-2′-deoxyuridine）脉冲—追踪实验标记S期细胞，检验幼虫细胞是否持续进入幼体。

研究结果部分，小标题“Sampling distinct life history stages in the same organism”中，研究人员按早期幼虫、晚期幼虫、变态、早幼体、晚幼体取样；早期幼虫具口前纤毛环与telotroch，中胚层少；晚期幼虫出现中体腔、后体腔与初始鳃裂；变态期幼虫与成体特征共存，吻部外胚层增厚、体腔扩展、stomochord形成；幼体具吻—领—躯干三区分工。结论为各阶段形态与生态需求差异明显。

小标题“Single-cell sequencing reveals the diversity of hemichordate cell types”中，研究人员获87021个单细包档案、56个簇、12个细胞类，包括内胚层、软骨、中胚层、肌肉、免疫、神经、纤毛带、分泌等；以foxA、fabp6、co9a1、mox、myl、syt1、TH、pk1l2、cnbd2、muc2、amy1、arsi等标记配合HCR验证。结论为半索动物跨生活史细胞类型高度多样，并发现以往未充分描述的免疫与分泌细胞类型。

小标题“Divergence of transcriptional states between life histories”中，研究人员将生活史投射到聚类发现幼虫与幼体占据不同转录空间，换用不同整合仍一致；神经类内部再分幼虫型、成体型与跨阶段型，如cluster 16的pburs在幼虫眼点与成体吻端持续；肌肉簇5、18中幼虫apical strand肌与幼体纵肌转录特征相近。EdU追踪显示早期幼虫标记细胞43天后仍在吻与前背中线，晚期幼虫标记细胞在幼体吻、领、背神经索留存，并有EdU+幼虫细胞表达幼体神经标记fibrilin-2-like。结论为不是幼虫全死亡后成体干细胞替代，而是幼虫细胞带入幼体并发生转录重编程。

小标题“Differences between cells in larval and adult body plans”中，研究人员在55维主成分（Principal Component，PC）空间算簇质心距离并做层次聚类；中胚层簇3与30跨幼虫—幼体仍聚在一起，幼虫肠簇9、35竟近于幼虫神经簇28、26，成体神经簇38、1、2、40更近于成体肠簇21、8、27。进一步分组显示幼虫中胚层/肌肉更似幼体中胚层/肌肉，而幼虫神经元与肠细胞更似同阶段同类而非成体对应类。结论为生活史阶段是外胚层与内胚层细胞状态的主轴，中胚层转录身份保守。

小标题“Genetic makeup of cell type diversity across life history stages”中，研究人员做GO分析，早期与晚期幼虫富集纤毛组织与运动，变态起富集细胞分化与发育，幼体富集神经发生与形态发生；Wnt信号在变态与幼体阶段富集，前后轴（anteroposterior，A-P）模式基因在成体躯干出现Hox模式化。结论为驱动幼虫—成体差异的是纤毛/摄食相关模块与躯干/神经/咽结构建模块转换。

讨论与结论部分，研究人员指出间接发育成体身体构型不是胚胎直接延伸，而是由生活史阶段这一高层级轴重新组织细胞状态；外胚层与内胚层在幼虫和成体间经历广泛转录置换，中胚层在演化与发育上更保守。EdU谱系证据支持幼虫细胞持续存在并重塑，而非单纯幼虫细胞死亡加成体干细胞新生。该研究发表于《Nature Communications》，意义在于为后口动物身体构型演化、幼虫—成体转变机制和细胞类型演化提供了全生命周期单细包尺度证据，说明“成虫来自幼虫”的本质是细胞状态重构而非简单细胞替换。

研究结论翻译为：幼虫与幼体细胞大范围占据不同转录状态，且更相似于同一生活史阶段内的其他组织，而非跨阶段对应细胞类型；变态标记幼虫与成体在形态上的主要重组，也代表细胞组成的重构。中胚层类型在幼虫与成体间保守，外胚层与内胚层类型随生活史阶段分化；EdU脉冲—追踪证明标记幼虫细胞进入幼体，反对整体幼虫细胞替换，提示变态中存在广泛的细胞转录状态重塑。生活史阶段是幼虫到成体转变中细胞状态的主要组织轴。