染色体水平基因组组装与单细胞分析揭示蛇尾海星腕再生的分子机制

《Genome Biology》：Chromosome-level genome assembly and single-cell analysis unveil molecular mechanisms of arm regeneration in the ophiuroid Ophiura sarsii vadicola

为探究蛇尾海星（Ophiuroidea）腕再生的分子机制，克服高质量基因组资源匮乏的问题，研究人员开展了蛇尾海星 Ophiura sarsii vadicola 基因组及单细胞分析研究。研究得到其染色体水平基因组，明确了再生过程细胞动态变化。该成果为理解棘皮动物再生机制提供了重要依据。

　　在神秘的海洋世界里，棘皮动物如同隐藏着无数秘密的宝藏。它们拥有令人惊叹的再生能力，无论是失去的肢体还是受损的器官，都能重新生长。蛇尾海星作为棘皮动物中种类繁多的一类，是研究器官再生的理想模型。然而，此前由于缺乏高质量的基因组资源，科学家们对蛇尾海星再生背后的分子机制了解甚少，就像在黑暗中摸索，找不到前进的方向。为了揭开这层面纱，深入探究蛇尾海星再生的奥秘，自然资源部第一海洋研究所等机构的研究人员开展了一系列研究，相关成果发表在《Genome Biology》上。

研究人员运用了多种关键技术方法。在基因组测序与组装方面，利用 PacBio SMRT 长读长测序技术和 Illumina 短读长测序技术，获取大量序列数据，经复杂组装流程得到高质量基因组。同时，借助 HI-C 测序技术，实现染色体水平的组装。对于基因表达分析，采用了批量 RNA 测序（bulk RNA sequencing）和单细胞 RNA 测序（scRNA-seq）技术，以探究再生过程中基因表达的变化及细胞动态。

研究结果如下：

1. 基因组组装与特征：从黄海采集 Ophiura sarsii vadicola 样本进行基因组测序，经多种方法组装出 1.27 Gbp 的基因组，N₅₀为 66.91 Mbp，且挂载到 19 条染色体上。通过多种方法验证其高质量，编码 26,226 个蛋白编码基因。比较基因组分析发现其有 48 个显著扩张的基因家族，明确了与其他棘皮动物的亲缘关系及染色体结构差异。
2. 腕再生实验、形态观察与批量 RNA 分析：研究不同截肢时间点腕部远端组织的形态变化和基因表达谱，发现 3 天内完成伤口愈合并进入早期再生阶段，13 天时出现明显远端芽基。批量 RNA 测序分析显示不同时间点基因表达模式不同，13 天的样本与早期时间点差异显著，涉及核糖体基因等多种功能相关基因变化。
3. 再生过程中的单细胞转录组分析：对不同再生时间点的再生臂组织进行 scRNA-seq 分析，鉴定出 6 个主要细胞簇，其中结缔组织（CT）细胞簇占比最大。进一步分析发现 CT 细胞包含多个亚群，在再生过程中发挥不同作用，如 CT I 参与快速被动反应，CT II 促进愈合和再生。
4. 单细胞分辨率下早期再生的基因表达动态：截肢后，状态感知细胞检测生理变化并激活相关细胞，多种信号通路被激活。CT II 亚群细胞发挥不同功能，通过伪时间分析发现肌肉祖细胞先分化，随后是软骨细胞，最后分化为神经和上皮组织。

在结论与讨论部分，研究人员成功构建了 Ophiura sarsii vadicola 的染色体水平基因组，通过批量和单细胞转录组分析揭示了蛇尾海星腕再生的细胞和分子动态。研究表明存在五个不同的细胞簇参与再生，结缔组织来源的祖细胞可分化为多种细胞类型，且肌肉分化发生在再生早期。这为理解棘皮动物再生提供了基因组和细胞层面的基础，建立了海洋无脊椎动物组织修复的进化框架，其高质量基因组资源和单细胞图谱为再生生物学的比较研究提供了重要参考。该研究不仅加深了人们对蛇尾海星再生机制的认识，也为未来再生医学等领域的研究开辟了新的方向，具有重要的理论和实践意义。