文章导读

咽鳃裂的形成以及咽部器官的复杂化是脊椎动物演化的关键标志之一。咽部及其附属器官的发育模式起源一直以来是演化发育生物学领域的重要问题。脊椎动物的姐妹动物类群中独有的一类咽部内柱器官为解析咽部器官起源提供了演化上的良好模型。来自中国海洋大学的江安在其导师董波教授的指导下，对内柱器官的表达谱进行了跨物种的比较，揭示了该器官与高等脊椎动物中多种器官的基因表达和潜在功能的相似性，并与2023年2月3日将研究成果发表在 Biology 期刊。

研究内容

• 海鞘内柱器官纵向区段的表达谱一致性

研究组成员通过全组织转录组测序技术，评估了来自三个个体内柱器官的总体表达谱特征。测序结果对内柱的甲状腺素合成、免疫、滤食和神经传导等主要功能提供了基因表达水平的支撑。表达谱差异基因分析表明内柱纵向表达谱的均质性较高 (如图1A)。经过表达差异分析，内柱器官在纵向上存在表达差异的基因较少，其中决定体轴发育模式的同源异形基因A3、A4 (HoxA3，HoxA4) 存在明显的内柱后端集中表达的趋势，且该表达差异模式也被qRT-PCR结果所验证 (如图1B-C)。

图1.海鞘内柱器官纵向区段的表达谱一致性和差异性 (A) 在四个主要功能通路中表达的功能基因，包括甲状腺激素合成功能、免疫功能、消化功能和神经功能；(B) 内柱纵向区段差异表达基因表达情况热图，热图中显示了多个纵向表达存在差异的基因；(C) qRT-PCT验证了Homeobox protein Hox A3, Hox A4和Proto-oncogene c-Fos-like基因在纵向上呈现近体轴尾部高表达的特征。蓝色柱状图表示qRT-PCR测定的表达水平，橙色折线表示RNA-seq测定的相对表达量。

• 内柱与人类多器官表达谱的相似性

为全面探究内柱中未被发现的功能和高等动物器官的潜在雏形，本研究利用人类蛋白质组数据库 (The Human Protein Atlas) 中人类各组织器官的基因表达矩阵，比较获得了人类二十余个器官组织的组织富集表达基因。最终二十余个人类器官组织的近三千余个基因被确定为组织特异性基因，并与海鞘的基因组利用BLASTP进行比对，生成一对一的对应关系，在此基础上计算人类组织特异性基因同源基因在内柱中的表达比例，用以描述人类组织与内柱器官的相似性。相似性结果排序中 (如图2A)，排在首位的是甲状腺 (Thyroid) 和胃 (Stomach)，这符合先前“内柱是甲状腺器官同源器官”的认知以及内柱的分泌性、消化性的功能。而这里我们发现了内柱和甲状旁腺 (Parathyroid) 的高相似性。其他相似性较高的器官包括唾液腺 (Salivary)、眼脉络从膜 ( Choroid)、输卵管 (Fallopian)、皮肤 (Skin)、视网膜 (Retina) 和骨髓 (Bone marrow)，分别和内柱的分泌功能、上皮特性、神经传递及造血功能相对应，暗示着以上器官功能上的相似性 (如图2B-C)。

图2.海鞘内柱与人类各器官转录组相似性 (A) 条形图展示内柱转录组与人类组织器官相似性。相似性 (Similarity index) 定义为人类器官富集基因的海鞘同源基因在内柱中高表达的比例，表达量 (FPKM) 大于5被认为是高表达基因；(B，C) 相似性映射到人体器官解剖结构图。

研究总结

在本研究中，我们主要对海鞘内柱利用全组织转录组测序技术进行了全面的表达谱测定。我们描述了内柱的特征基因基本表达情况；验证了内柱纵向上的均质性；通过与大量高等物种不同器官组织转录组数据进行比较及基因表达谱相似性分析，初步描述了内柱与多种潜在高等动物器官的相似性。总体上，内柱具有先前报道中的多种潜在功能的关键基因表达，包括甲状腺激素合成功能、免疫功能、消化 (滤食) 功能、神经传导功能。本研究为后续全面解析内柱在单细胞类群分辨率下，潜在器官功能的雏形提供了基础和方向指引。

原文出自 Biology 期刊：https://www.mdpi.com/2114786

Jiang, A.; Zhang, W.; Wei, J.; Liu, P.; Dong, B. Transcriptional Analysis of the Endostyle Reveals Pharyngeal Organ Functions in Ascidian. Biology 2023, 12, 245. 

Biology 期刊介绍

主编：

Jukka Finne, University of Helsinki, Finland; 

Andrés Moya, University of Valencia and CSIC, Spain

期刊主要涵盖细胞生物学、发育生物学、进化生物学、生物化学与分子生物学、微生物学等所有生物领域。

2023 Impact Factor：3.6 (JCR Q1*)

2023 CiteScore：5.7 (Q1**)

Time to First Decision：16.1 Days

Acceptance to Publication：2.8 Days

* JCR Q1 at "Biology"

** CiteScore Q1 at "General Agricultural and Biological Sciences"