不规则海胆Scaphechinus mirabilis早期发育中Hox基因表达模式的进化意义

《Doklady Biological Sciences》：Expression of Hox Genes in Early Development of Irregular Sea Urchin Scaphechinus mirabilis (Echinodermata, Echinoidea)

本研究针对不规则海胆与规则海胆Hox基因表达模式差异的进化问题，通过对不规则海胆Scaphechinus mirabilis早期发育阶段的Hox基因表达谱进行系统分析，发现其表达模式更接近规则海胆Strongylocentrotus purpuratus和St. intermedius，而与同为不规则海胆的Peronella japonica存在显著差异。这一结果表明Hox基因表达模式的差异并非由海胆的规则/不规则分类决定，为理解棘皮动物身体计划重构的分子机制提供了新的进化视角。

　　

在浩瀚的海洋世界中，海胆作为棘皮动物门的代表，其发育过程蕴含着生命演化的奥秘。最令人惊奇的是，这些海洋生物在发育过程中会经历身体结构的重大重组——从两侧对称的浮游幼体转变为辐射对称的成体。而调控这一过程的关键因子，正是被称为"发育建筑师"的Hox基因家族。这些基因在大多数三胚层动物中呈现出严格的空间和时间共线性表达特征，但在棘皮动物中却表现出令人困惑的表达模式。

目前研究发现，海胆类主要分为规则海胆和不规则海胆两大类。规则海胆成体保持典型的五辐射对称，而不规则海胆则在辐射对称的基础上形成了次生两侧对称。更引人深思的是，先前对两种规则海胆（Strongylocentrotus purpuratus和St. intermedius）和一种不规则海胆（Peronella japonica）的研究显示，它们的Hox基因在早期发育阶段的表达模式存在明显差异。规则海胆中大多数Hox基因直到幼体形成才被激活，而不规则海胆P. japonica则在更早的发育阶段就启动了多个Hox基因的表达。这种差异是否与海胆的规则/不规则分类相关？为了解答这个问题，研究人员对另一种不规则海胆Scaphechinus mirabilis进行了深入研究。

研究团队采用了系统的实验方法开展此项工作。他们在俄罗斯科学院远东分院海洋生物研究所东方海洋生物站采集Scaphechinus mirabilis样本，通过人工受精获得不同发育阶段的胚胎和幼体，包括13小时后的囊胚期、35小时后的原肠胚期、46小时后的棱柱期、4天后的早期幼体期和9天后的晚期幼体期。

利用实时定量PCR技术，研究人员检测了11个Hox基因在不同发育阶段的表达水平。实验以 actin和 ubiquitin基因作为内参，通过特异性引物设计和产物测序验证确保了数据的可靠性。表达水平以未受精卵中的转录水平为基准进行标准化，每个时间点的数据均来自五次独立实验。

Hox基因表达的时间动态

研究发现，Scaphechinus mirabilis的大多数Hox基因在发育早期保持沉默状态，表达水平不超过未受精卵中的基准值。唯一的例外是SmHox11/13b基因，该基因在原肠胚期（35小时）表达水平显著升高，达到所有检测阶段中的最高值。在4天大的幼体阶段，除SmHox11/13b外的所有Hox基因表达均出现整体上升，但只有SmHox8和SmHox11/13c基因的表达水平超过基准值。到9天大的幼体阶段，大多数Hox基因的表达再次下降，仅SmHox6、SmHox9/10和SmHox11/13b保持较高表达水平。

与规则海胆表达模式的相似性

Scaphechinus mirabilis与规则海胆St. intermedius在Hox基因表达模式上表现出显著相似性。两者均在4天大的幼体阶段出现所有Hox基因表达的整体上升，且Hox11/13b基因都在发育早期（囊胚期或原肠胚期）表达水平最高。具体基因表达动态比较显示，SmHox2、3、5、8、9/10与SiHox2、3、5、8、9/10的表达模式高度相似，仅Hox8在9天大的幼体阶段表达存在差异。与另一种规则海胆St. purpuratus的比较也发现，SpHox11/13b基因同样在间充质囊胚期表达显著升高，在原肠胚晚期急剧下降，然后在幼体期逐渐回升。

与不规则海胆P. japonica的显著差异

相比之下，不规则海胆P. japonica表现出完全不同的Hox基因表达模式。P. japonica在囊胚期就激活了PjHox7、11/13b和11/13c基因的表达，原肠胚期增加了PjHox9/10的表达，棱柱期进一步激活PjHox1、8和11/13a基因。到2天大的幼体阶段，除PjHox11/13c外的大部分Hox基因均已表达。这种早期广泛激活的模式与Scaphechinus mirabilis的保守表达模式形成鲜明对比。

本研究通过对不规则海胆Scaphechinus mirabilis的深入分析，揭示了Hox基因表达模式在棘皮动物早期发育中的复杂多样性。研究发现Scaphechinus mirabilis的Hox基因表达特征与规则海胆更为相似，而与同为不规则海胆的Peronella japonica存在显著差异，这表明Hox基因表达模式的差异并非简单地由海胆的规则/不规则分类所决定。这一发现挑战了传统的分类学假设，提示可能存在其他尚未确定的进化因素影响着Hox基因的表达调控。

该研究的意义在于为理解棘皮动物身体计划重构的分子机制提供了新的视角。Hox基因作为体轴形成的关键调控因子，其表达模式的变异可能反映了不同海胆物种在进化过程中适应不同生活环境所形成的发育策略差异。研究结果强调需要重新审视棘皮动物发育调控网络的进化规律，未来的研究应当结合更多物种的比较分析，深入探索影响Hox基因表达模式的其他潜在因素。

这项发表在《Doklady Biological Sciences》的研究不仅增进了我们对海胆发育生物学的理解，也为进化发育生物学领域提供了重要的案例研究，凸显了基因表达调控在形态进化中的重要作用。研究采用的多物种比较方法为解析复杂性状的进化机制提供了有效途径，对理解动物多样性的形成机制具有深远意义。