全球首个海洋生物空间单细胞图谱揭示脊椎动物咽部器官的演化起源

当我们吞咽时，偶尔能感受到耳膜内外平衡的变化，这是因为在发育过程中，咽的衍生结构参与了内耳的构成。另外， 咽部还包含一些平时我们感受不到，却对人体免疫具有重要功能的胸腺、甲状腺等器官。发育过程中参与这些衍生器官形成的咽部内胚层，在后口动物（如海星、海参等）祖先中就已经存在，但咽及其附属器官的演化起源尚未完全解析。

2024年3月29日，中国海洋大学联合青岛华大研究院，利用华大自主研发的时空组学技术Stereo-seq，结合单细胞转录组测序，以柄海鞘（Styela clava）的内柱器官为研究对象，绘制了高质量的空间分辨率单细胞图谱，首次全面解析了海洋动物咽部器官的细胞类型和潜在功能特征，为揭示脊椎动物咽部器官的潜在演化起源提供了重要信息。相关研究成果在线发表于Science Advances。

Science Advances官网截图

低等脊索动物具有一类独有的咽部器官——内柱（Endostyle）。 头索动物和尾索动物的内柱器官位于成体腹侧； 脊椎动物圆口纲的内柱器官仅存在于幼体阶段，随发育变态形成甲状腺滤泡。

以往的研究普遍认为，低等脊索动物的内柱器官具有辅助动物滤食的功能，并且是脊椎动物中甲状腺器官在演化上的前体器官。结合最近的发现——后口动物咽部内胚层在咽器官发育中的核心作用，脊椎动物与低等脊索动物咽部器官在演化发育上是否具有连续性是个有趣的问题。

海鞘是研究脊椎动物咽部及其附属器官起源演化的理想模型

此次研究中，团队通过整合空间和单细胞转录组两种相互补充的技术，构建了全球首个柄海鞘内柱器官高质量空间分辨率单细胞图谱，结合形态学和基因表达特征，进一步解析了内柱器官细胞类群及功能的多样性。

海鞘内柱器官高质量空间分辨率单细胞图谱

团队在海鞘的内柱器官中首次发现了一个类血淋巴区域的细胞类群，并鉴定出一个位于内柱致密组织区的类毛细胞类群，该细胞类群与脊椎动物内耳毛细胞具有表达特征的高度相似性； 同时，团队揭示了内柱类甲状腺区域不同成熟状态细胞共存的特征。

此外，研究人员还将海鞘的单细胞图谱与脊椎动物的相关单细胞转录组数据进行比较，结果揭示海鞘作为脊索动物，其内柱与多种脊椎动物的咽器官存在基因特征的相似性。

海鞘内柱器官与脊椎动物胚胎咽部器官的比较

本研究首次在海洋动物演化发育生物学领域运用了前沿的空间转录组学技术，高通量地鉴定了演化上独特的咽部器官的细胞类群组成。成果为进一步了解多种具有重要演化地位和海洋独特生物类群的组织器官提供了较好的方法学参考与借鉴，也为进一步了解咽部器官起源提供了高质量的数据支撑以及新颖见解。

中国海洋大学硕士生江安、青岛华大韩凯研究员、中国海洋大学副教授隗健凯、青岛华大苏小珊研究员为该论文的共同第一作者。中国海洋大学董波教授、青岛华大研究院范广益研究员为该论文的通讯作者。研究工作受到国家重点研发项目、崂山实验室科技创新项目和山东省泰山学者计划等项目资助。

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