成都生物所揭示蛙类变态发育中呼吸器官转变的细胞分子机制

　　

两栖动物作为脊椎动物从水生到陆生演化的过渡类群，其个体生活史包含了水生和陆生两个生活阶段。在从水栖幼体变态发育至陆栖成体的过程中，两栖动物的诸多器官系统都发生了重构。例如，运动器官由尾转变为四肢以适应陆地的运动方式，呼吸器官由鳃转变为肺以适应陆地空气呼吸方式，消化系统发生重构以适应食性的转变，神经系统发生重构以适应复杂多变的陆生环境。其中，由鳃到肺的转变过程重演了脊椎动物呼吸器官演化的关键步骤。因此，系统地研究两栖动物变态发育过程中呼吸器官的转变，对于解析脊椎动物呼吸器官的演化至关重要。尽管目前对于两栖动物呼吸器官的研究已有一定基础，但仍有一些关键的科学问题亟待解决。例如，两栖动物在登陆的关键时间节点如何同步调控鳃的吸收和肺的功能建成？在鳃吸收的过程中，凋亡的组织细胞去向何处？肺是如何在短时间内实现形态和功能的建成以适应陆地生活方式的？这些问题的解答将进一步深化我们对脊椎动物呼吸器官演化的理解。

为解决以上科学问题，中国科学院成都生物研究所江建平研究员团队以饰纹姬蛙为研究对象综合采用组织切片、透射电镜、荧光原位杂交、转录组和单细胞转录组等方法技术，通过整合分析多维数据，对饰纹姬蛙变态发育中呼吸器官转变的细胞分子机制进行了深入的探究。

研究结果显示,饰纹姬蛙鳃和肺中甲状腺激素受体TR-β基因的表达水平均在登陆的关键时间节点（变态高峰期S44）达到峰值（图1）。甲状腺激素是诱导两栖动物变态发育的关键激素。甲状腺激素与其受体TR结合，能够诱导两栖动物在形态、组织和器官水平发生广泛重塑。因此，在变态高峰期，甲状腺激素信号通路在饰纹姬蛙鳃和肺的同步激活调控了鳃的吸收和肺的功能建成。

图1 变态发育过程中甲状腺激素受体TR-β在鳃和肺中的表达模式

进一步研究发现，在变态高峰期饰纹姬蛙的鳃细胞发生凋亡，代谢底物（糖，脂和氨基酸）增加，然而能量生成和蛋白质转换能力却减弱（图2）。这表明，随着鳃细胞的凋亡，产生的代谢底物并不用于鳃自身的生命活动。与此同时，底物运输能力在这一时期增强，提示这些代谢底物可能被运输至其他组织或器官，为其重构提供必要的能量和物质。

图2 变态发育过程中鳃的物质能量代谢模式

单细胞转录组分析表明（图3），在登陆的关键时间节点，饰纹姬蛙的肺能够快速实现形态和功能的建成，主要依靠以下两个关键步骤：1.肺间充质干细胞分化为基质成纤维细胞、肌肉成纤维细胞、平滑肌细胞和软骨细胞，为肺的形态建成搭建框架，并为其功能建成提供了细胞微环境；2. 肺上皮细胞（包括肺泡上皮细胞、非AEC上皮细胞、神经内分泌细胞、离子细胞和纤毛细胞）的时序性分子表达模式发生转变，增强了肺泡气体交换、抗氧化和免疫等功能，从而促进了对陆地呼吸方式的适应。

图3 单细胞转录组构建饰纹姬蛙肺的单细胞图谱

通过比较非洲爪蟾（终生水生）、饰纹姬蛙（水陆生活史分明）、小鼠和人的肺单细胞图谱，我们构建了跨物种的肺细胞映射关系（图4）。结果发现，尽管非洲爪蟾和饰纹姬蛙生活在不同环境中，其肺细胞图谱呈现出高度相关性。有趣的是，我们发现在饰纹姬蛙和哺乳动物的肺部存在两种内皮细胞类型，而在非洲爪蟾和肺鱼中仅发现一种。此外，我们还发现两栖动物的肺中仅有一种肺泡上皮细胞，而羊膜动物中均有两种肺泡上皮细胞。两栖动物的一种肺泡上皮细胞兼具了羊膜动物两种肺泡上皮细胞的特征和功能，这提示脊椎动物在从水到陆演化的过程中逐渐特化出不同类型的肺泡上皮细胞，这可能是对复杂陆地生活的进一步适应。这些结果支持了脊椎动物器官演化主要由细胞而非组织驱动的理论。

图4 跨物种肺单细胞图谱的映射关系

以上两项成果于近期分别以“What frog gill resorption brings: loss of function, cell death, and metabolic reorganization”和“Single cell RNA analysis uncovers the cell differentiation and functionalization for air breathing of frog lung”为题发表在动物学一区期刊《Frontiers in Zoology》和Nature旗下一区Top期刊《Communications Biology》上，其中后者被Communications Biology编辑评选为Featured article。中国科学院成都生物研究所常利明博士为两篇论文的第一作者，江建平研究员和朱未博士为两篇论文的通讯作者，齐银研究员等攻关团队成员对该项研究工作进行了指导。相关研究工作得到中国科学院重点部署项目、国家自然科学基金、四川省科技厅自然科学基金、中国博士后科学基金项目、中国科学院成都研究所攻关团队项目的联合资助。

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