兩棲動物作為脊椎動物從水生到陸生演化的過渡類群，其個體生活史包含了水生和陸生兩個生活階段。在從水棲幼體變態(tài)發(fā)育至陸棲成體的過程中，兩棲動物的諸多器官系統(tǒng)都發(fā)生了重構(gòu)。例如，運(yùn)動器官由尾轉(zhuǎn)變?yōu)樗闹赃m應(yīng)陸地的運(yùn)動方式，呼吸器官由鰓轉(zhuǎn)變?yōu)榉我赃m應(yīng)陸地空氣呼吸方式，消化系統(tǒng)發(fā)生重構(gòu)以適應(yīng)食性的轉(zhuǎn)變，神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)生重構(gòu)以適應(yīng)復(fù)雜多變的陸生環(huán)境。其中，由鰓到肺的轉(zhuǎn)變過程重演了脊椎動物呼吸器官演化的關(guān)鍵步驟。因此，系統(tǒng)地研究兩棲動物變態(tài)發(fā)育過程中呼吸器官的轉(zhuǎn)變，對于解析脊椎動物呼吸器官的演化至關(guān)重要。盡管目前對于兩棲動物呼吸器官的研究已有一定基礎(chǔ)，但仍有一些關(guān)鍵的科學(xué)問題亟待解決。例如，兩棲動物在登陸的關(guān)鍵時間節(jié)點(diǎn)如何同步調(diào)控鰓的吸收和肺的功能建成？在鰓吸收的過程中，凋亡的組織細(xì)胞去向何處？肺是如何在短時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)形態(tài)和功能的建成以適應(yīng)陸地生活方式的？這些問題的解答將進(jìn)一步深化我們對脊椎動物呼吸器官演化的理解。
為解決以上科學(xué)問題，中國科學(xué)院成都生物研究所江建平研究員團(tuán)隊以飾紋姬蛙為研究對象綜合采用組織切片、透射電鏡、熒光原位雜交、轉(zhuǎn)錄組和單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組等方法技術(shù)，通過整合分析多維數(shù)據(jù)，對飾紋姬蛙變態(tài)發(fā)育中呼吸器官轉(zhuǎn)變的細(xì)胞分子機(jī)制進(jìn)行了深入的探究。
研究結(jié)果顯示,飾紋姬蛙鰓和肺中甲狀腺激素受體TR-β基因的表達(dá)水平均在登陸的關(guān)鍵時間節(jié)點(diǎn)（變態(tài)高峰期S44）達(dá)到峰值（圖1）。甲狀腺激素是誘導(dǎo)兩棲動物變態(tài)發(fā)育的關(guān)鍵激素。甲狀腺激素與其受體TR結(jié)合，能夠誘導(dǎo)兩棲動物在形態(tài)、組織和器官水平發(fā)生廣泛重塑。因此，在變態(tài)高峰期，甲狀腺激素信號通路在飾紋姬蛙鰓和肺的同步激活調(diào)控了鰓的吸收和肺的功能建成。
圖1 變態(tài)發(fā)育過程中甲狀腺激素受體TR-β在鰓和肺中的表達(dá)模式
進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，在變態(tài)高峰期飾紋姬蛙的鰓細(xì)胞發(fā)生凋亡，代謝底物（糖，脂和氨基酸）增加，然而能量生成和蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)換能力卻減弱（圖2）。這表明，隨著鰓細(xì)胞的凋亡，產(chǎn)生的代謝底物并不用于鰓自身的生命活動。與此同時，底物運(yùn)輸能力在這一時期增強(qiáng)，提示這些代謝底物可能被運(yùn)輸至其他組織或器官，為其重構(gòu)提供必要的能量和物質(zhì)。
圖2 變態(tài)發(fā)育過程中鰓的物質(zhì)能量代謝模式
單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組分析表明（圖3），在登陸的關(guān)鍵時間節(jié)點(diǎn)，飾紋姬蛙的肺能夠快速實(shí)現(xiàn)形態(tài)和功能的建成，主要依靠以下兩個關(guān)鍵步驟：1.肺間充質(zhì)干細(xì)胞分化為基質(zhì)成纖維細(xì)胞、肌肉成纖維細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞和軟骨細(xì)胞，為肺的形態(tài)建成搭建框架，并為其功能建成提供了細(xì)胞微環(huán)境；2. 肺上皮細(xì)胞（包括肺泡上皮細(xì)胞、非AEC上皮細(xì)胞、神經(jīng)內(nèi)分泌細(xì)胞、離子細(xì)胞和纖毛細(xì)胞）的時序性分子表達(dá)模式發(fā)生轉(zhuǎn)變，增強(qiáng)了肺泡氣體交換、抗氧化和免疫等功能，從而促進(jìn)了對陸地呼吸方式的適應(yīng)。
圖3 單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組構(gòu)建飾紋姬蛙肺的單細(xì)胞圖譜
通過比較非洲爪蟾（終生水生）、飾紋姬蛙（水陸生活史分明）、小鼠和人的肺單細(xì)胞圖譜，我們構(gòu)建了跨物種的肺細(xì)胞映射關(guān)系（圖4）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，盡管非洲爪蟾和飾紋姬蛙生活在不同環(huán)境中，其肺細(xì)胞圖譜呈現(xiàn)出高度相關(guān)性。有趣的是，我們發(fā)現(xiàn)在飾紋姬蛙和哺乳動物的肺部存在兩種內(nèi)皮細(xì)胞類型，而在非洲爪蟾和肺魚中僅發(fā)現(xiàn)一種。此外，我們還發(fā)現(xiàn)兩棲動物的肺中僅有一種肺泡上皮細(xì)胞，而羊膜動物中均有兩種肺泡上皮細(xì)胞。兩棲動物的一種肺泡上皮細(xì)胞兼具了羊膜動物兩種肺泡上皮細(xì)胞的特征和功能，這提示脊椎動物在從水到陸演化的過程中逐漸特化出不同類型的肺泡上皮細(xì)胞，這可能是對復(fù)雜陸地生活的進(jìn)一步適應(yīng)。這些結(jié)果支持了脊椎動物器官演化主要由細(xì)胞而非組織驅(qū)動的理論。
圖4 跨物種肺單細(xì)胞圖譜的映射關(guān)系
以上兩項成果于近期分別以“What frog gill resorption brings: loss of function,cell death,and metabolic reorganization”和“Single cell RNA analysis uncovers the cell differentiation and functionalization for air breathing of frog lung”為題發(fā)表在動物學(xué)一區(qū)期刊《Frontiers in Zoology》和Nature旗下一區(qū)Top期刊《Communications Biology》上，其中后者被Communications Biology編輯評選為Featured article。中國科學(xué)院成都生物研究所常利明博士為兩篇論文的第一作者，江建平研究員和朱未博士為兩篇論文的通訊作者，齊銀研究員等攻關(guān)團(tuán)隊成員對該項研究工作進(jìn)行了指導(dǎo)。相關(guān)研究工作得到中國科學(xué)院重點(diǎn)部署項目、國家自然科學(xué)基金、四川省科技廳自然科學(xué)基金、中國博士后科學(xué)基金項目、中國科學(xué)院成都研究所攻關(guān)團(tuán)隊項目的聯(lián)合資助。