揭秘鱼类进化：科学家揭示保护性骨鳞的形成过程

加州理工学院的一项研究发现，躯干神经嵴细胞是鱼类保护性骨鳞的起源，这揭示了脊椎动物盔甲的进化过程。大约 3.5 亿年前，你们的进化祖先以及所有现代脊椎动物的祖先都只是生活在海洋中的软体动物。为了生存和进化成我们今天的样子，这些动物需要获得一些保护和优势，以战胜海洋中的捕食者，当时这些捕食者主要是甲壳类动物。

鲟鱼背部的鳞片。最近的一项研究发现，一种特定类型的干细胞--躯干神经嵴细胞--负责鱼类骨质保护性鳞片（鳞片）的发育。这一突破揭示了我们的软体进化祖先是如何发展出保护性鳞甲的，为众多脊椎动物物种的进化铺平了道路。图片来源：J. Stundl 提供

皮甲的进化是一种成功的策略，比如鲶鱼身上的尖刺或鲟鱼身上的菱形骨质鳞片（称为鳞片）。数以千计的鱼类利用不同模式的皮甲，皮甲由骨头和/或一种叫做牙本质的物质组成，牙本质是现代人类牙齿的重要组成部分。像这样的保护层帮助脊椎动物生存下来，并进一步进化成新的动物，最终成为人类。

但是，这些盔甲从何而来？我们古老的水下祖先是如何进化出这种保护性外衣的呢？

现在，一项利用鲟鱼进行的新研究发现，被称为躯干神经嵴细胞的特定干细胞群是鱼类骨质鳞片发育的原因。这项工作由扬-斯通德尔（Jan Stundl）完成，他现在是加州理工学院爱德华-B-刘易斯生物学教授兼贝克曼研究所所长玛丽-斯克洛多夫斯卡-库里（Marie Sklodowska-Curie）实验室的博士后学者。介绍这项研究的论文最近发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上。

Jan Stundl 在实验室里拿着一条鲟鱼。图片来源：J. Stundl 提供

长期以来，布朗纳实验室一直对神经嵴细胞的研究很感兴趣。神经嵴细胞存在于所有脊椎动物体内，包括鱼类、鸡和我们自己，这些细胞根据其产生于头部（颅骨）还是脊髓（躯干）区域而变得特化。颅神经嵴细胞和躯干神经嵴细胞都会从它们的起点迁移到动物的整个发育身体，产生构成颌骨、心脏和其他重要结构的细胞。剑桥大学 2017 年的一项研究表明，躯干神经嵴细胞在一种名为小鳐鱼的鱼类中产生了以牙本质为基础的真皮护甲，此后，施通德尔和他的同事推测，同样的细胞群也可能在脊椎动物中广泛产生以骨骼为基础的护甲。

单个鲟鱼鳞片的重建特写。成骨细胞以洋红色标出。图片来源：J. Stundl 提供

为了研究这个问题，斯通德尔和研究小组转而研究鲟鱼，特别是鲟鱼（Acipenser ruthenus）。现代鲟鱼因生产世界上最昂贵的鱼子酱而闻名于世，但它们仍然具有许多与数百万年前的祖先相同的特征。这使它们成为进化研究的首选对象。

利用捷克共和国鱼类养殖和水生物研究所培育的鲟鱼胚胎，斯通德尔和他的团队使用荧光染料追踪了鲟鱼的躯干神经嵴细胞如何迁移到整个发育中的身体。鲟鱼在几周后开始长出骨质鳞片，因此研究人员将生长中的鱼放在黑暗的实验室中，以免荧光染料受到光线干扰。

研究小组在鲟鱼骨质鳞片形成的准确位置发现了荧光标记的躯干神经嵴细胞。然后，他们使用另一种技术突出显示了鱼的成骨细胞，这是一种形成骨骼的细胞。他们在鲟鱼正在形成的鳞片中的荧光细胞中发现了与成骨细胞分化相关的基因特征，这有力地证明了躯干神经嵴细胞确实产生了骨形成细胞。结合2017年关于神经嵴细胞在形成以牙质为基础的盔甲中的作用的发现，这项工作表明，躯干神经嵴细胞确实负责产生骨质真皮盔甲，这使得脊椎动物鱼类的进化取得了成功。

Stundl说："与非模式生物合作非常棘手；在小鼠或斑马鱼等标准实验生物中存在的工具要么不起作用，要么需要进行重大调整。尽管存在这些挑战，但来自鲟鱼等非模式生物的信息使我们能够以严谨的方式回答基本的进化发育生物学问题"。

布朗纳说："通过研究生命之树上的许多动物，我们可以推断发生了哪些进化事件。"如果我们能从发育生物学的角度来探讨进化问题，这一点就尤为重要，因为导致细胞类型多样化的许多变化都是通过胚胎发育过程中的微小变化发生的。我们非常幸运地得到了加州理工学院进化科学中心的资助，它帮助我们使这类研究成为可能"。

加州理工学院的进化科学中心（Center for Evolutionary Science，CES）是一个全校范围内的多部门组织，它认可并支持对自然界中通过生物和人为力量发生的进化变化的研究。