鸟类光感受器同源性与双锥体细胞起源的单细胞转录组解析

这篇研究通过单细胞RNA测序(scRNA-seq)技术揭示了鸟类视网膜七种光感受器细胞的进化同源性，创新性地提出双锥体细胞(DC-P/DC-A)分别起源于祖先红锥和蓝锥细胞。研究发现甲状腺激素受体β(THRB)和FOXQ2等关键转录因子(TFs)的表达模式可作为细胞同源性标记，并通过CRISPR敲除实验证实THRB对红锥和DC-P细胞命运的决定作用。该研究为脊椎动物视觉系统进化提供了重要见解。

　　

鸟类拥有脊椎动物中最复杂的光感受器系统，包含1种视杆细胞和6种视锥细胞（4种单锥和双锥体的2种组成细胞）。这项研究通过单细胞RNA测序技术揭示了这些细胞的进化起源，特别是解开了双锥体细胞起源的百年谜题。

单细胞测序揭示鸟类光感受器特征
研究团队对新孵化雏鸡(P0)视网膜进行scRNA-seq分析，成功鉴定出全部7种光感受器类型。通过差异基因表达分析发现，约90%的差异基因是效应基因，而转录因子(TFs)仅占10.6%，这提示TFs更适合用于追溯细胞进化起源。有趣的是，分析发现一个中间态细胞群"DC3"，经证实是未完全解离的双锥体细胞，包含70%DC-P和40%DC-A的转录特征。

转录因子揭示进化同源性
通过比较TFs表达谱，研究发现：

• 视杆细胞表达MAFA、NR2E3等哺乳动物视杆标志因子
• 红单锥和DC-P共表达THRB和SAMD7
• 蓝单锥和DC-A共表达FOXQ2和SKOR1
  这些表达特征在鸡与美洲鬣蜥（进化分歧2.8亿年）中高度保守。特别值得注意的是，FOXQ2在脊椎动物中的分布与蓝锥细胞的存在完全对应，如鸭嘴兽保留蓝锥就有FOXQ2，而胎盘哺乳动物失去蓝锥也缺失该基因。

双锥体细胞的二元起源假说
研究推翻了前人"双锥体来自红锥细胞分裂"的假说，提出创新性理论：

1. 发育时序证据：Morris的³H-胸苷标记实验显示DC-P和DC-A出生时间相差近20小时
2. 分子特征证据：DC-P保留红锥特征(THRB⁺SAMD7⁺)，DC-A保留蓝锥特征(FOXQ2⁺SKOR1⁺)
3. 增强子分析：红锥和DC-P共享THRB依赖性OPN1LW增强子，而DC-A可能通过独立增强子表达红视蛋白

基因编辑验证发育机制
通过CRISPR-Cas9敲除THRB发现：

• 红锥和DC-P几乎完全消失
• 绿色视锥和视杆细胞数量相应增加
• DC-A不受影响
  这表明THRB特异性调控红锥/DC-P命运，而DC-A通过独立通路发育。有趣的是，虎蝾螈的DC-A仍保留蓝视蛋白(OPN2SW)和红视蛋白(OPN1LW)共表达，可能是进化过渡阶段的"活化石"。

这项研究不仅阐明了鸟类光感受器的进化树，还为理解脊椎动物视觉系统演化提供了新范式。特别是双锥体细胞的二元起源理论，解释了这种特殊光感受器如何在进化过程中通过"合作创新"获得新功能。研究揭示的THRB-FOXQ2调控机制，可能为视网膜退行性疾病治疗提供新靶点。