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作为脊椎动物，我们拥有一款很不错的头。与无脊椎动物相比，脊椎动物的头在处理感觉信息上实现了“创新”，为分布广泛、数量众多的感觉细胞提供了充足空间，于是我们可以更好地感知环境中的大量刺激和不断变化。放到漫长的演化过程中去看，这样的头为生存提供了优势。
外部刺激传到大脑时，分布于脊椎动物整个头部的神经节，是从感觉器官接收信息的重要中转站。而这些神经节，即颅感觉神经节（Cranial Sensory Ganglia）是如何形成的，则成为动物演化发育中的一个重要节点。
顶尖学术期刊《自然》的最新一期上，一支国际研究小组揭示了脊椎动物头部感觉神经节的来源。他们发现，决定头部感觉神经节的遗传程序，可以追溯到一类非常原始的动物——被囊动物。有趣的是，这类动物在生长发育的过程中会逐渐失去自己的“头”。
科学家们研究了一类叫做海鞘的海洋动物。系统发育学上，海鞘与我们脊椎动物同属脊索动物门，但它们是被囊动物亚门的代表，过去也叫尾索动物。
▲这项研究的”主角“玻璃海鞘（Ciona intestinalis）（图片来源：perezoso / wikimedia）
自然界有数千种不同的海鞘，成体外形各异，有的像一坨口香糖，有的像一团泡泡，附着在岩石上不会动。
别看它们都长得“没头没脑”的，小时候却不这样。幼虫有点像蝌蚪，前端有眼点等感觉器官，一条软软的脊索支撑着躯干，脊索背侧有神经管。但长着长着，海鞘就变了，经历一种叫做“逆行变态“的发育过程，脊索与尾部消失，神经系统退化，感觉器官消失，最后体壁形成一层保护性的被囊——被囊动物由此得名。
▲Ute Rothbächer教授实验室中的海鞘（图片来源：因斯布鲁克大学官网）
“被囊动物就像脊椎动物的进化原型，”研究作者之一、奥地利因斯布鲁克大学的Ute Rothbächer教授解释说。“这些被囊动物的成体之间有很大的解剖学差别，因为它们适应了不同的生态位。要研究它们的进化也就变得很复杂。但在胚胎阶段，可以找出它们共同的结构和机制，而我们与被囊动物的共同祖先可能就与被囊动物的幼虫非常相像。”
科学家们在这项工作中研究了一种同源盒转录因子Hmx在玻璃海鞘中的作用。用CRISPR-Cas9技术，研究人员将Hmx从海鞘的基因组中敲除，或是用转基因的方法，让这个基因在体内过量表达。
实验结果表明，Hmx控制着海鞘尾部双极尾神经元（bipolar tail neuron）的分化。相应地，在脊椎动物中，这一基因对颅感觉神经节起作用。
▲显微镜下的海鞘胚胎，荧光标记显示出了尾部的双极尾神经元（绿色所示）和表皮细胞（紫红色所示）（图片来源：参考资料[3]；Credit：Alessandro Pennati）
更令人惊讶的是，科学家们尝试着把七鳃鳗的Hmx片段插入海鞘的DNA中，结果这些七鳃鳗的基因片段可以像海鞘自己的Hmx一样具有活性。七鳃鳗是一种古老的脊椎动物，因此这一结果也就意味着，Hmx在演化中保持着它的原始功能和结构，可能从脊椎动物与被囊动物的共同祖先中一直保留了下来。
“这证明，Hmx是一个在演化过程中保持不变的中心基因。”论文的第一作者、博士生Alessandro Pennati解释道。
通过对海鞘的研究，科学家们总结说，颅感觉神经节和双极尾神经元有着相同的演化起源，而在脊椎动物高度专业化的头部感觉器官的形成中，他们找到了一个起关键作用的基因。
参考资料：
[1] Vasileios Papadogiannis et al., (2022) Hmx gene conservation identifies the origin of vertebrate cranial ganglia. Nature https://doi.org/10.1038/s41586-022-04742-w
[2] William Jeffery (2014) The tunicate Ciona: a model system for understanding the relationship between regeneration and aging. Invertebr Reprod Dev. doi: 10.1080/07924259.2014.925515
[3] Important genetic origin of our senses identified. Retrieved May 19, 2022 from https://www.eurekalert.org/news-releases/952951
