早期器官的蓝图可能隐藏在海星中

不起眼的海星是一种古老的海洋生物，可能可以追溯到大约 4.8 亿年前。它们因其天体形状、海绵状皮肤和腕吸盘而深受水族馆触摸池的喜爱。这些美丽的五足棘皮动物还帮助科学家弄清楚一种称为管形成的关键生命过程。

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5 月 9 日发表在《自然通讯》杂志上的一项研究分析了海星中空管的形成过程，为其他生物的器官发育提供了蓝图。

管形成是指体内形成各种中空的管状结构。这些管最终形成血管、消化道，甚至心脏、肾脏和乳腺等复杂器官。这是胚胎阶段发生的基本且关键的过程，这些过程中的异常会导致器官功能障碍、移位或不对称，甚至血管等结构的再生缺陷。

由于所有动物都使用非常不同的策略来形成这些管状结构，因此人们对胚胎发生过程中空管形成的一般机制知之甚少。

海星就是为此而生的。它们的管状形成过程相对容易观察，因为它们的胚胎非常透明，无需打扰就能观察。更不用说，它们一年四季都在大量繁殖。这项新研究揭示了海星Patiria miniata或蝙蝠星的管状形成的起始和早期阶段。

“我们的大多数器官都是管状的，因为它们需要运输液体、气体、食物或血液。而像心脏这样更复杂的器官一开始是管状的，然后发展出不同的结构。因此，管状形成是我们所有器官形成的一个非常基本的步骤，”这项研究的共同作者、芝加哥大学附属海洋生物实验室的细胞生物学家玛格丽塔·佩里洛在一份声明中说。

海星不仅因其半透明的特性而成为理想选择，研究人员还需要一种位于生命之树底部、在脊索动物门（包括鱼类、两栖动物、爬行动物、鸟类和哺乳动物等脊椎动物）出现之前进化的动物，Perillo 补充道。

Perillo 和她的同事使用 CRISPR 基因编辑和其他技术来分析海星的基因功能和发育幼体的长延时视频。该团队研究了海星如何产生从肠道分支出来的管道。通过这些观察，他们可以确定可能已经发育的更高级脊索动物管状器官所需的基本工具。现在，他们越来越接近解答生物体如何从一个细胞发育成构成各种生物体的更复杂的 3D 管状结构。

佩里洛称，在某些生物体（例如苍蝇）中，“会经历一轮大规模的细胞增殖，之后所有细胞才会开始形成非常复杂的迁移模式，从而变长、改变形状，最后变成管状。”

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在其他动物（包括哺乳动物）中，细胞增殖和迁移是同时发生的。研究小组发现，在海星中，细胞也可以同时增殖和迁移，以便管道形成，就像脊椎动物形成时那样。研究小组表示，器官形成背后的机制肯定已经在脊索动物进化的基础或根源中确立。

除了提供器官形成的进化见解外，海星还可以帮助生物医学研究。佩里洛发现一种名为 Six1/2 的基因是管道形成分支过程的关键调节器。如果从小鼠体内取出 Six1/2，它们的肾脏会异常形成，但缺乏该基因的小鼠即使被注射了肿瘤细胞，也能抵抗肿瘤形成。了解这种在癌细胞中过度表达的基因可能会带来研究疾病进展的新方法。

“我现在可以利用这种基因不仅了解我们的器官如何发育，还可以了解当我们患病时器官会发生什么，尤其是癌症，”佩里洛说。“我希望，最多五到十年后，我们将能够利用这种基因测试器官如何发展癌症以及癌症如何转移。”