西工大研究团队从基因和分子水平揭示脊椎动物肺脏和肝脏起源演化之谜

中新网西安2月15日电 (记者 阿琳娜)器官的起源和演化一直是生命科学领域最为基础而又充满挑战的科学问题之一。记者15日从西北工业大学获悉，该校研究团队关于脊椎动物两个重要器官——肺脏和肝脏起源演化的研究成果，从基因和分子水平揭示了这些复杂器官是如何在演化过程中逐步形成的。

西北工业大学翱翔战略团队生态环境学院王堃、邱强和王文教授团队在动物生态学领域的最新原创研究成果在《Nature Ecology& Evolution》(《自然·生态与进化》)期刊发表。

研究团队2021年在《CELL》杂志发表的研究显示，肺与鱼鳔同源，至少在硬骨鱼祖先中初现雏形，并早于泥盆纪早期脊椎动物登陆事件。另一方面，一些化石记录、发育模式和分子数据则暗示，肺可能起源于软骨鱼与硬骨鱼的共同祖先，但其具体起源节点仍未明确。

为了解开肺脏进化之谜，团队对多种动物的肺组织进行了广泛而细致的研究。研究发现，肺脏的形成其实遵循了一套“遗传控制系统”，就好比一本详细的操作手册，指导细胞如何协同工作：这套系统指挥着细胞如何排列成复杂的血管分支，同时让肺部上皮细胞(构成肺壁的细胞)发挥专门功能，从而打造出一个高效的气血交换平台。有趣的是，虽然软骨鱼(例如鲨鱼和鳐鱼)体内也具备构建肺脏所需的基础基因，但它们并没有真正发展出肺脏。原因在于，这些基因在软骨鱼体内已经被用到了其他任务上。例如，本来在肺中用于降低表面张力、帮助呼吸的表面活性蛋白基因，在软骨鱼中却主要负责免疫系统调控。

进一步研究显示，真正促成肺脏形成的关键在于硬骨鱼祖先独特的基因调控网络。这一点的证据来自于对肺部特异性调控元件的详细分析：在硬骨鱼祖先中，有1040个专门调控肺脏发育的DNA序列，而在后来失去了肺脏功能的生物(如某些蝾螈)中，这些序列大多消失了，相比之下，较早期的调控元件则相对保持不变。这一发现不仅解释了为什么拥有相关基因的软骨鱼却没有演化出真正的肺脏，也与最新的化石研究结果互为佐证，提供了关于脊椎动物呼吸系统起源于硬骨鱼祖先的一份新的、充满说服力的证据。

在后续的演化过程中，哺乳动物通过获得新的基因，发展出了更精密的肺泡结构，提高了气体交换效率。这表明，器官的演化既需要重组现有的基因网络，也需要获得新的基因，两种方式共同推动了器官功能的完善。

研究团队还关注了标志着脊椎动物成为顶级捕食者的器官：肝脏。研究成果于2024年8月在《Nature Ecology& Evolution》杂志发表。

作为生命活动的代谢中心，肝脏能高效处理和储存营养物质，并具有解毒功能。通过详细分析，研究团队发现文昌鱼的肝盲囊和脊椎动物的肝脏在细胞组成和基因表达上有惊人的相似性。这表明，它们实际上来自相同的进化起源，可以视为同源器官。

进一步的研究显示，脊椎动物进化过程中经历了两次全基因组加倍(2R-WGD)，这种基因“加倍”的现象大大促进了肝脏功能的复杂化。此外，新基因的出现贯穿了肝脏核心功能系统的进化历程。新基因在器官进化中发挥了双重作用：它们既能作为生化反应的核心成分直接参与功能实现，也能作为调控节点，重塑细胞之间的互作网络，推动器官功能的不断复杂化和优化。

这些研究成果展示了器官进化中的基因调控和新基因创新如何推动结构和功能的不断优化。无论是阐明肺脏形成时特定基因网络的调控机制，还是揭示肝脏在全基因组加倍作用下如何通过基因功能分化实现复杂化，这些发现都为理解脊椎动物在漫长进化历程中如何适应环境提供了新的视角，也为未来生物医学与进化生物学领域的研究奠定了坚实的理论基础。(完)