海七鳃鳗是仅有的两种没有颌骨的脊椎动物之一，它们对中西部渔业造成了严重破坏，同时也帮助科学家了解推动脊椎动物进化的两种重要干细胞的起源。
西北大学的生物学家已经确定了调节这些干细胞的基因网络的进化时间，并深入了解了七鳃鳗缺失上颚的可能原因。
这两种细胞类型——多能囊胚细胞(或胚胎干细胞)和神经嵴细胞——都是“多能性的”，这意味着它们可以成为身体内所有其他类型的细胞。
在一篇新论文中，研究人员将七鳃鳗的基因与非洲爪蟾(一种有颌水生青蛙)的基因进行了比较。通过比较转录组学，该研究揭示了无颌脊椎动物和有颌脊椎动物的多能性基因网络惊人地相似，甚至在关键调控因子的转录本丰度水平上也是如此。
但研究人员还发现了一个关键的区别。虽然这两个物种的囊胚细胞都表达 pou5 基因，这是一种关键的干细胞调节剂，但七鳃鳗的神经嵴干细胞中并不表达该基因。失去这个因子可能限制了神经嵴细胞形成在有颌脊椎动物(有脊椎的动物)中发现的细胞类型的能力，这些细胞构成了头部和颌骨。
该研究于7 月 26 日发表在《自然生态与进化》杂志上。
通过比较无颌脊椎动物和有颌脊椎动物的生物学，研究人员可以深入了解包括人类在内的脊椎动物的特征的进化起源，基因表达的差异如何导致身体结构的关键差异，以及所有脊椎动物的共同祖先是什么样的。
领导这项研究的西北大学的卡罗尔·拉博恩 (Carole LaBonne) 说：“七鳃鳗可能掌握着了解我们起源的关键。”
“在进化生物学中，如果你想了解一个特征从何而来，你就不能指望那些已经独立进化了 5 亿年的更复杂的脊椎动物。你需要回顾你所研究的动物类型的最原始版本，这将带我们回到盲鳗和七鳃鳗——无颌脊椎动物的最后活体例子。”
LaBonne 是发育生物学专家，现任温伯格文理学院分子生物科学教授。她担任 Erastus Otis Haven 讲席教授，也是美国国家科学基金会 (NSF) 新成立的西蒙斯国家生物理论与数学研究所的领导成员。
LaBonne 和她的同事之前曾证明，神经嵴细胞的发育起源与保留控制囊胚干细胞多能性的基因调控网络有关。在这项新研究中，他们探索了这两个干细胞群体之间联系的进化起源。
“神经嵴干细胞就像进化的乐高积木，”LaBonne 说。“它们会变成截然不同的细胞类型，包括神经元和肌肉，而所有这些细胞类型的共同点是神经嵴内有共同的发育起源。”
随着胚胎的发育，囊胚阶段的胚胎干细胞会迅速丧失多能性并局限于不同的细胞类型，而神经嵴细胞则会保留在发育后期控制多能性的分子工具包。
LaBonne 的团队在七鳃鳗囊胚细胞中发现了一个完整的多能性网络，这些干细胞在无颌脊椎动物中的作用一直是个悬而未决的问题。这意味着有颌和无颌脊椎动物的囊胚和神经嵴干细胞群在脊椎动物的基础上共同进化。
西北大学博士后研究员兼第一作者约书亚·约克 (Joshua York) 发现七鳃鳗和非洲爪蟾之间“相似之处多于不同之处”。
约克说：“虽然控制多能性的大多数基因都在七鳃鳗神经嵴中表达，但这些关键基因之一——pou5——的表达却在这些细胞中消失了。”
“令人惊讶的是，尽管 pou5 并未在七鳃鳗的神经嵴中表达，但当我们在青蛙中表达它时，它却能够促进神经嵴的形成，这表明该基因是我们最早的脊椎动物祖先中存在的古老多能性网络的一部分。”
该实验还帮助他们假设该基因在某些生物中是专门丢失的，而不是有颌脊椎动物后来发展出来的。
“这项研究的另一个引人注目的发现是，尽管这些动物在进化过程中相隔 5 亿年，但促进多能性所需的基因表达水平却受到严格限制，”LaBonne 说。“尚未解答的最大问题是，为什么?”
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