位于后口动物进化基部的棘皮动物门是一个形态学上极为特殊的门类，它们在幼体时期身体呈两侧对称的形式，但成年后则转变为五辐射对称的身体形式，常见的海星、海胆等皆是如此。棘皮动物的五辐射对称身体形式究竟如何进化而来一直是动物学研究的难题。
2023年11月1日，Nature在线发表了由斯坦福大学学者完成的文章《Molecular evidence of anteroposterior patterning in adult echinoderms》，为棘皮动物五辐射对称身体模式的进化提供了新的观点。
作者利用RNA断层扫描和原位杂交技术，研究了蝙蝠海星（Patiria miniata）中一系列与前后轴建立有关的保守转录因子的表达，发现这些转录因子在海星步带外胚层中的相对空间表达与其他后口动物类似：每条腕的中线代表最前（头）端，而腕的两侧表现出更后（尾）端的特性。并且海星中没有表达典型的两侧对称动物躯干模式的外胚层区域。这一发现表明，从外胚层图式的角度来看，棘皮动物大多为头状动物（head-like animal）。也就是说，大多数的棘皮动物并没有身体，而只有一个被压扁的头。
~详细解读~
在两侧对称动物中，决定外胚层前后轴（AP轴）的基因调节网络的分布是高度保守的，并且代表了一系列比它们所调节的体制更保守的特征（下图a，半索动物外胚层沿AP轴方向的保守基因表达分布）。因此，这种决定AP轴的基因调节网络的分布可用来测试体轴的同源性。在脊索动物和半索动物中，外胚层AP轴向图式的保守性已经得到充分验证（下图b），这为解决棘皮动物轴向特性的进化提供了强有力的框架。两种不同的进化情境需要纳入考虑：
1）在棘皮动物进化过程中，后口动物祖先的AP模式网络被拆除并重组，在这种情境下，转录因子相对空间表达的非保守性意味着出现新的发育角色；
2）在棘皮动物成体发育过程中该表达网络具有空间保守性，则为验证与两侧对称动物的体轴同源性和建立被分散的解剖结构掩盖的区域同源性提供了分子基础。
基于第二种进化情境，共提出了4种假说（下图c）来将棘皮动物的身体形式与两侧对称动物进行关联。分支（Bifurcation）和环化（Circularization）假说可以首先被排除，因为他们要求每一条腕有一套独特的分子机制，这显然与分子数据是不相符的。在重复（Duplication）假说中，每条腕都是中央盘前部的祖先AP轴的拷贝。而在堆叠（Stacking）假说中，成年棘皮动物的oral–aboral轴与祖先AP轴是同源的。
本文通过检测蝙蝠海星（Patiria miniata）中的基因表达来验证这些经典假说，使用基于空间转录组的统计方法和原位杂交技术。数据表明，在幼体的管足发育过程中，祖先AP轴的外胚层图式网络出乎意料的保守。然而，本文的结果并不符合任何既定的假设，而是提出了一个新的“ambulacral-anterior“模型，将棘皮动物的五辐射对称与祖先两侧对称联系起来。
成年海星的RNA断层扫描
海星五辐射对称的表现形式比其他棘皮动物更为简单，它的身体结构位于同一平面，腕围绕着oral–aboral轴沿交替的步带区和间步带区延伸。因此海星非常适于研究五辐射对称与两侧对称的体轴同源性。海星的身体形式是由内骨骼决定的，研究人员首先使用显微CT获得海星未成年个体的腕的每个解剖平面上主要解剖特征的精确空间组成。在这个空间框架内，使用一种基于RNA断层扫描的空间转录组方法研究海星沿体轴的转录特征。然后，研究人员选择与显微CT匹配的未成年海星样本，从三个维度对海星的三条腕进行冷冻切片：近-远端（P-D）、口面-反口面（O-A）和左-右侧（M-L）。切片被编以barcode并使用PacBio IsoSeq进行测序，最终产生了一个25,794个基因的三维表达图谱。基于RNA断层扫描表达谱将基因聚类为7个主要的表达模式。通过PCA分析和Spearman相关性分析，可以发现RNA断层扫描得到的转录谱与海星解剖结构是一致的。为了辅助这一分析，作者还重新组装了一个蝙蝠星基因组。
为了验证后口动物中可能存在的分子解剖同源性，研究人员从RNA断层扫描数据中鉴定出36个与AP图式有关的保守的分子标记并获得了他们的表达谱，包括转录因子、Wnt信号通路成员和hedgehog配体。这些基因沿P-D和O-A轴的交错表达分别支持了重复假说和堆叠假说。研究人员又以半索动物长吻虫（Saccoglossus kowalevskii）作为模版，对AP图式基因按从头至尾的顺序进行排序，计算这个排序与P-D轴和O-A轴位置的Spearman相关性，在两种情况下都发现了中度但并不显著的相关性。意外的是，研究人员发现基因排序与M-L维度具有更强的相关性。更前部的基因更多的在靠近腕中线的位置表达，更后部的基因则在两侧的位置表达。这一发现的鲁棒性也通过模拟重复抽样得到了验证。这表明，重复假说和堆叠假说都不能精确地描述AP图式基因在海星中的分布，且现有的模型不能解释五辐射对称潜在的逻辑模式。
AP图式基因的M-L维度分布
为了对轴向图式进行更深入的研究，研究人员使用原位杂交技术来检测36个保守基因在变态后未成年个体中的表达模式。这个具有代表性的阶段是在变态过程中幼体结构被吸收到未成年个体中的阶段。经典的外胚层AP图式基因在变态开始时在拟成年组织中以低水平开始表达，但只有在成年身体形式确立后的变态后个体中，在步带附近达到较强的表达水平。因此未成年早期阶段可以作为研究轴向图式早期建立的模型。
同样按照从头至尾的顺序，研究人员将AP轴图式基因分为四组，并分析这四组基因在半索动物和脊索动物中的表达。对比分析发现，在半索动物和脊索动物前部表达的基因在海星中的表达模式集中在步带外胚层的中心区域的神经附近，这就否定了重复假说；在第1组后部的基因在海星中的表达区域也由中心区域扩展至两侧，表明步带外胚层两侧具有更后部的分子特征；在第2组更后部、标记了半索动物和脊索动物头部边界的基因在海星中在步带外胚层和间步带区的边界表达，标记了海星头部的外边界；而Hox基因簇中，只有Hox1在海星外胚层中被检测到，说明在海星中不存在等价于躯干区域的外胚层。因此，AP图式系统在海星中的分布似乎仅限于步带及其边界，而M-L维度是五辐射身体形式外胚层AP图式的主要驱动力。
此外，研究数据还表明，两侧对称动物中决定背腹轴的Bmp2/4和Chordin基因的表达不能证明BMP/Chordin信号在海星中定义了一个体轴。而棘皮动物腕的发育，在两侧对称动物附肢发育的基础上可能包含了大量创新。
棘皮动物轴向特性的演化
基于以上分析，研究人员提出了棘皮动物身体形式进化的“ambulacral-anterior”模型。在这个模型中，每个步带的中线表达了前部的分子特征，分别等价于脊椎动物的前脑和半索动物的吻部。神经索两侧的区域与半索动物和脊索动物的尾部外胚层区域的模式相似，分别延伸至领部和中脑。最后，步带外胚层边缘显示出最后部的分子特征，对应半索动物的领部/躯干边界和脊椎动物的中脑/后脑边界。根据“ambulacral-anterior”模型，棘皮动物是第一个头部特征位于组织的中心而不是末端的两侧对称动物。与海胆和海百合研究的对比表明，“ambulacral-anterior”模型可能是所有现存棘皮动物的普遍发育特征，本研究的发现反映了棘皮动物进化过程中发生的早期调节变化。
仅凭形态学特征来重建棘皮动物的身体形式变化具有挑战性。“ambulacral-anterior”模型提供了一个建立棘皮动物之间区域同源性的有力工具。最重要的是，本研究建立的新的轴向图式可以与化石记录相结合，根据调节变化重新研究关键的形态转变。
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本文转载自“OMICat”公众号。
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