脊椎动物成对附肢演化新机制：软骨素样蛋白1（chordin-like1）的起源与功能解析

这篇综述通过系统发育与局部基因组共线性分析，揭示了软骨素样蛋白1（Chordin-like1）在颌类脊椎动物中的特异性起源。研究结合鲨鱼、鲟鱼和非洲爪蟾模型，证实该基因在成对附肢（paired appendages）后部区域（metapterygial element）的时空表达模式，提出其通过调控BMP/Wnt信号通路参与附肢形态建成的创新假说，为理解脊椎动物重大形态创新（morphological innovations）提供了分子进化新视角。

　　

引言

脊椎动物演化史上，颌的出现和成对附肢的起源是两大里程碑事件。颌类脊椎动物（gnathostomes）特有的成对附肢从鱼类鳍条到四足动物肢体的转变，涉及复杂的发育机制重塑。近年研究发现，分泌型BMP拮抗剂家族成员软骨素样蛋白1（Chordin-like1）可能在这一过程中扮演关键角色。

系统发育与基因组共线性分析

通过最大似然法构建的进化树显示，大多数脊椎动物存在两个旁系同源基因：Chordin-like1和Chordin-like2。值得注意的是，无颌类脊椎物（如七鳃鳗）和头索动物中仅存在Chordin-like2，而Chordin-like1是颌类脊椎动物特有的新基因。局部基因组共线性分析进一步证实，Chordin-like1与邻近基因ammecr1和tmem164的连锁关系仅在颌类中出现，提示该基因可能通过全基因组复制（WGD）事件从Chordin-like2演化而来。

基底颌类动物中的表达模式

在灰猫鲨（Chiloscyllium griseum）胚胎中，Chordin-like1最早在鳃弓中胚层核心表达，随后在背鳍和偶鳍后部区域显现梯度表达。免疫组化显示其表达区域与磷酸化Smad1/5（BMP信号标志物）呈互补分布，暗示其可能通过拮抗BMP调控鳍形态建成。鲟鱼（Acipenser ruthenus）研究则发现，该基因在胸鳍后部基鳍骨（metapterygium）形成区持续高表达，这与鲨鱼后鳍基骨的演化同源性高度吻合。

四足动物模型的功能验证

非洲爪蟾（Xenopus laevis）研究表明，Chordin-like1在肢体发育早期沿前后缘表达，后期集中于指状结构周围。荧光素酶报告实验揭示其双重调控特性：既能弱抑制BMP通路（结合实验证实对BMP4的亲和力），又可显著抑制经典Wnt/β-catenin通路同时激活非经典Wnt/PCP通路。这种独特的信号调控模式可能为附肢三维结构的建立提供了分子基础。

基因丢失与形态退化的关联

比较基因组学发现，硬骨鱼类（Teleostei）中Chordin-like1的丢失与其后鳍基骨的退化存在显著相关性。典型代表斑马鱼（Danio rerio）仅保留Chordin-like2，其胸鳍发育转为以真皮鳍条为主导的模式，这与保留Chordin-like1的鲟鱼和软骨鱼形成鲜明对比。例外情况如多鳍鱼（Polypteridae）虽丢失该基因却保留后鳍基骨，提示其他补偿机制的存在。

讨论与进化意义

研究提出创新性假说：Chordin-like1可能通过三种途径推动附肢演化：

1. 1.

   作为BMP拮抗剂塑造后鳍基骨发育微环境

2. 2.

   通过Wnt通路调控建立附肢三维极性

3. 3.

   将原始单鳍的发育程序"招募"至侧板中胚层

   该基因在鳃弓与鳍芽中的共表达模式，进一步支持了"鳃弓起源假说"与"侧鳍褶假说"的整合模型。未来研究需在更多基底脊椎动物中验证其功能，并探索其与Shh、Fgf等经典附肢发育通路的交互机制。

这项研究不仅为理解脊椎动物形态创新提供了新视角，也为再生医学中肢体发育异常的干预策略提供了潜在靶点。Chordin-like1作为颌类特有的遗传创新，其功能演化或成为破解"附肢起源之谜"的关键钥匙。