上海
近日，国际顶级学术期刊《Science》发表了一项里程碑式的研究成果。由中国科学家领衔的研究团队成功绘制了涵盖27种动物的心脏单细胞空间图谱，首次系统揭示了动物心脏从简单到复杂的宏观演化轨迹。这一研究不仅为理解心脏的起源提供了全新视角，也为人类心脏病研究打开了进化生物学的大门。
两侧对称动物的心脏演化
破译心脏演化的“分子密码”
心脏作为推动血液循环的核心器官，其演化历史至少可以追溯到寒武纪早期。然而，长期以来，学界对于心脏多样性的细胞和分子基础、其深远的进化起源，以及不同动物门类之间趋同与趋异进化的模式，始终缺乏系统性认知。
以往的心脏研究高度集中在人类和少数经典模式生物上，而软体动物、节肢动物以及基础脊索动物等关键类群严重缺失，这阻碍了我们全面理解心脏的起源和演化规律。为了填补这一空白，研究人员整合了比较基因组学、批量转录组学、单细胞转录组学和空间转录组学等多维技术，对从原口动物到后口动物的成年心脏进行了大规模剖析。采样范围横跨原口动物（果蝇、鲎、虾、蟹、扇贝、牡蛎、蜗牛、章鱼）和后口动物（文昌鱼、海鞘、七鳃鳗、鳐鱼、竹鲨、斑马鱼、肺鱼、美西螈、热带爪蟾、非洲爪蟾、壁虎、龟、红原鸡、斑胸草雀、小鼠、大鼠、树鼩以及人类），共计27个物种。
惊人发现：所有动物心脏共享超60%的基因模块
研究最令人震撼的发现之一是，尽管动物心脏在解剖结构上千差万别——从章鱼的三个心脏到人类的四腔心——但它们却共享超过60%的基因模块和一个保守的细胞基础。
尤为值得注意的是，某些心房和心室的特性在原口动物和后口动物中均有继承，这表明这些特征可能起源于古老的双侧对称动物共同祖先。这一发现将心脏核心特征的起源时间推向了至少5.4亿年前。
研究还揭示，脊索动物心脏基因的早期扩张与脊索动物早期的全基因组复制事件密切相关。心脏结构的多样性则反映了谱系特异性的遗传创新、灵活的细胞类型组合以及分子水平的功能适应，基因的丢失和获得共同塑造了心脏的演化历程。
揭秘“原始心脏”：心室样心肌为主
借助空间转录组学技术，研究团队鉴定出一种在进化上保守的心肌细胞状态，这种状态与心脏发育和应激反应密切相关。更重要的是，证据表明，祖先的“原始心脏”主要由心室样心肌组成。这意味着，在漫长的演化过程中，心房是从心室基础上演化而来的新结构。研究团队识别出了支撑这一腔室演化过程的共同分子程序，为理解心脏复杂化提供了关键线索。
研究意义与未来展望
该研究意义远不止于进化生物学本身，通过揭示心脏在亿万年间如何适应环境变化、如何构建自身结构，科学家们获得了理解人类心脏发育、应激反应乃至疾病的进化背景。通过追踪主要心脏细胞类型的独特分子轨迹，并识别出原口动物和后口动物共享的保守腔室特征，为解码双侧对称动物的心脏演化提供了一个框架。
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adw0855
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