翼膜的发育与进化：解析趋同进化的分子机制
物种间的表型差异是进化对发育程序改变的产物。然而，这些变化如何产生新的形态特征仍然不甚明确。
2024 年 4 月 24 日，普林斯顿大学和贝勒医学院在《Nature》杂志上发表了一篇题为 “Emx2 underlies the development and evolution of marsupial gliding membranes” 的研究论文，该研究深入探讨了哺乳动物滑翔膜（或称翼膜）的基因组和发育基础。这种适应性特征在不同谱系中反复演化，包括密切相关的有袋动物物种。通过对 15 个有袋动物基因组（包括滑翔和非滑翔物种）的比较基因组分析，研究人员发现 Emx2 基因座在滑翔物种中经历了谱系特异性的加速顺式调控进化模式。通过结合表观基因组学、转录组学和转基因实验，研究人员发现 Emx2 是翼膜发育的关键上游调控因子。
此外，研究人员还鉴定了可能负责在滑翔物种中驱动 Emx2 表达水平增加的不同顺式调控元件。最后，通过小鼠功能实验，研究人员发现滑翔物种中的 Emx2 表达模式可能已从所有哺乳动物中发现的预存程序中进行了修改。总之，研究结果表明，翼膜通过一种趋同基因组进化的过程反复起源，其中 Emx2 的调控被独立演化物种中的不同顺式调控元件所改变。因此，靶向同一关键发育基因的不同调控元件可能构成了一种有效的策略，通过这种策略，自然选择利用有袋动物基因组中的调控进化来产生表型新颖性。
一个生物体的发育程序涵盖了在个体发生过程中紧密调控的一系列过程，这些过程用于指定胚胎轴，控制时空基因表达模式，并最终建立组织表型。因此，发育程序中不同遗传成分的改变可能导致新特征的进化。在许多情况下，类似的特征在经历共同生态压力的不同物种中反复进化。这种现象被称为趋同进化，它在进化和发育生物学中长期以来备受关注，因为它可以揭示发育程序在多大程度上是灵活的或受约束而遵循可预测的路径。因此，解析导致进化趋同的分子机制可以提供关于表型新颖性和其背后发育原因之间关系的关键见解。
翼膜是一种专门的皮肤膜，使动物能够滑翔，这是一种有效的运动方式，可以逃避捕食者并获取不同的食物来源。由于其提供的适应性优势，翼膜在包括不同种类的啮齿动物、蝙蝠、鼯鼠和澳大利亚有袋动物在内的多种哺乳动物中趋同进化。值得注意的是，翼膜在三种密切相关的有袋动物物种中独立进化，这些物种都属于超级家族Petauroidea。这种系统发育安排为基因组水平的比较研究提供了理想的场景。此外，有袋类滑翔动物是实验操作的独特易操作组，因为它们的翼膜在出生后形成，而新生儿在母亲的育儿袋中。
作者之前在滑翔有袋动物物种Petaurus breviceps（蜜袋鼯）中开发了一个模型来研究翼膜的形成。在蜜袋鼯中，翼膜的原基在出生后不久从四肢之间的侧面皮肤分化出来，并在随后的日子里向外生长，从四肢和身体壁延伸。反映其独特的发育程序，翼膜的转录组与邻近皮肤区域的转录组有显著不同，包括许多在模式化和生长过程中具有已知作用的差异表达基因（DEGs）。虽然控制翼膜发育的具体分子事件仍然不甚清楚，但可能是这些转录差异由在侧面皮肤中活跃的顺式调控元件的进化变化所驱动。在此，作者使用比较基因组学和功能方法的组合，致力于解析翼膜形成的顺式调控架构，并揭示这种形态适应反复进化的发育机制。
研究背景与意义
发育程序与进化的关系
一个生物体的发育程序是由一系列在个体发生过程中紧密调控的过程构成的，这些过程在胚胎发育的各个阶段发挥着关键作用。它们不仅用于指定胚胎轴，还控制着基因在特定时间和空间的表达模式，最终建立起组织的表型特征。因此，发育程序中不同遗传成分的改变，无论是基因序列的突变、调控元件的变异，还是基因表达模式的调整，都可能导致新特征的进化。这种改变为物种适应环境变化提供了可能性，推动了生物多样性的产生。
在许多情况下，类似的特征在经历共同生态压力的不同物种中反复进化。这种现象被称为趋同进化。趋同进化在进化和发育生物学中长期以来备受关注，因为它可以揭示发育程序在多大程度上是灵活的或受约束而遵循可预测的路径。一方面，如果发育程序具有高度的灵活性，那么不同的物种可能会通过不同的遗传途径实现类似的表型特征；另一方面，如果发育程序受到一定的约束，那么在趋同进化过程中，不同物种可能会倾向于利用相似的遗传机制来实现类似的适应性特征。因此，解析导致进化趋同的分子机制可以提供关于表型新颖性和其背后发育原因之间关系的关键见解，有助于我们深入理解生物进化的复杂性和多样性。
翼膜的适应性优势与进化模式
翼膜是一种专门的皮肤膜，使动物能够滑翔。滑翔作为一种有效的运动方式，为动物带来了显著的适应性优势。首先，它可以帮助动物逃避捕食者，通过在空中滑翔来躲避地面或空中的天敌；其次，滑翔能够使动物获取不同的食物来源，扩大它们的觅食范围，提高获取食物的效率。由于这些适应性优势，翼膜在多种哺乳动物中趋同进化，包括不同种类的啮齿动物、蝙蝠、鼯鼠和澳大利亚有袋动物。这种趋同进化现象表明，尽管这些物种在系统发育上存在差异，但它们在面对相似的生态压力时，都独立地进化出了翼膜这一形态特征，以适应其生存环境。
值得注意的是，翼膜在三种密切相关的有袋动物物种中独立进化，这些物种都属于超级家族Petauroidea。这种系统发育安排为基因组水平的比较研究提供了理想的场景。通过对这些物种的基因组进行比较分析，可以深入探讨翼膜进化过程中涉及的遗传机制，揭示不同物种在进化过程中是如何通过基因组的变化来实现类似的表型特征的。此外，有袋类滑翔动物是实验操作的独特易操作组，因为它们的翼膜在出生后形成，而新生儿在母亲的育儿袋中。这一特点使得研究人员能够在翼膜发育的早期阶段进行实验操作和观察，为研究翼膜的发育机制提供了便利条件。
研究方法与结果
模型建立与翼膜发育的初步观察
作者之前在滑翔有袋动物物种Petaurus breviceps（蜜袋鼯）中开发了一个模型来研究翼膜的形成。在蜜袋鼯中，翼膜的原基在出生后不久从四肢之间的侧面皮肤分化出来，并在随后的日子里向外生长，从四肢和身体壁延伸。这一过程反映了翼膜独特的发育程序。通过对翼膜转录组与邻近皮肤区域转录组的比较分析，研究人员发现两者存在显著差异，包括许多在模式化和生长过程中具有已知作用的差异表达基因（DEGs）。这些差异表达基因可能与翼膜的发育和形态形成密切相关。尽管控制翼膜发育的具体分子事件仍然不甚清楚，但研究人员推测，这些转录差异可能由在侧面皮肤中活跃的顺式调控元件的进化变化所驱动。顺式调控元件是基因表达调控的重要组成部分，它们通过与转录因子等调控蛋白相互作用，影响基因的表达水平和时空表达模式。因此，顺式调控元件的进化变化可能是导致翼膜发育差异的关键因素之一。
比较基因组学与功能方法的综合应用
在此基础上，作者使用比较基因组学和功能方法的组合，致力于解析翼膜形成的顺式调控架构，并揭示这种形态适应反复进化的发育机制。通过比较不同有袋动物物种的基因组，研究人员可以识别出在滑翔物种中发生特异性变化的基因和调控元件。结合表观基因组学、转录组学和转基因实验等技术手段，研究人员可以进一步研究这些基因和调控元件在翼膜发育过程中的功能作用，以及它们如何通过调控基因表达来影响翼膜的形态形成。这种综合的研究方法有助于全面揭示翼膜进化过程中涉及的分子机制，为理解趋同进化的发育基础提供重要的理论依据。
结论与展望
本研究通过对滑翔有袋动物翼膜的发育和进化进行深入分析，揭示了翼膜形成过程中可能涉及的分子机制。研究结果表明，翼膜的发育受到多种遗传因素的调控，其中顺式调控元件的进化变化可能是导致翼膜形态差异的关键因素之一。通过对不同有袋动物物种的基因组比较分析，研究人员可以进一步探索翼膜在不同物种中趋同进化的过程和机制，为理解生物进化的复杂性和多样性提供新的视角。未来的研究可以进一步深入探讨翼膜发育过程中的基因调控网络，以及这些基因调控网络在不同物种中的保守性和差异性。此外，结合实验生物学和计算生物学的方法，研究人员可以构建更精确的翼膜发育模型，为揭示生物进化的分子机制提供更全面的理论支持。
| 名称 | 货号 | 规格 |
| Anti-Histone H3 (acetyl K27) antibody - ChIP Grade | ab4729-100ug | 100ug |
| CCK-4, CCKB receptor agonist | ab141328-100mg | 100mg |
| PROLONG GOLD ANTIFADE REAGENT | P36930 | 10ML |
| DEXTRAN- FLUORESCEIN- 300 | D3306 | 10MG |
