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成都生物所两栖动物肺发育研究获进展

发布时间: 2022-04-27 03:15 浏览:

脊椎动物由水到陆的演化具有重要意义。演化过程中,脊椎动物面临的最重要的挑战之一是呼吸介质从水到空气的转变。两栖动物是最早适应陆地环境的四足动物,对大多数两栖动物来说,它们的肺在空气呼吸中具有不可或缺的作用。研究两栖动物在登陆过程中肺的功能化过程,是揭示脊椎动物空气呼吸方式演化的关键工作。虽然关于两栖动物肺的形态和生理功能已有广泛研究,但变态发育过程中肺微观结构的变化和分子机制仍有待阐明。除了血气屏障的结构外,肌肉组织和免疫系统的发育水平也明显影响气体交换的效率。

 中国科学院成都生物研究所研究员江建平团队以饰纹姬蛙为研究对象,综合转录组测序和透射电镜技术,系统观测探究了变态发育过程中肺的微观结构变化、功能蛋白的转录变化以及潜在的分子调控机制。

 结果表明(图1、2):在变态前期,饰纹姬蛙肺的体积快速增长,同时底物代谢和蛋白质转换相关的基因上调转录,这可能为肺的快速生长奠定了物质和能量基础。在变态高峰期,肺泡囊胶原纤维增加,结缔组织致密,肺泡上皮细胞纤毛密度和长度都增加;这一时期肺的特征基因主要是细胞外基质、纤毛发生及有丝分裂相关的基因,这表明在变态高峰期,细胞外基质重构或促进细胞的增殖与分化,进而加速肺的形态建成。在变态后期,肺的肌纤维增加;同时,肌肉收缩以及能量代谢相关的基因显著上调转录,从而增强肺气体交换的效率,实现肺的功能建成。在成体时期,肺形成了成熟的血气屏障结构,而这一时期的特征基因主要是组织分化调控、肺循环及免疫相关的基因,这提示成体时期的肺得以进一步发育,肺循环能力和免疫能力同步增强,肺功能的完善与此时更强的陆地适应能力相一致。

图1.不同发育时期肺的形态结构

图2.不同时期肺差异表达基因的加权基因共表达网络分析及功能富集分析

 从关键功能分子转录模式来看,在变态高峰期,成体型血红蛋白逐渐代替了幼体型血红蛋白,且不同类型肺表面活性蛋白的转录模式也在这一时期发生转变(图3)。这些功能分子表达模式的转变可能是肺呼吸功能趋于成熟的重要表征和物质基础。

 该研究揭示了变态发育过程中两栖动物肺结构和功能建成的关键步骤,为脊椎动物空气呼吸方式的演化提供了线索。相关研究成果以From Water to Land: The Structural Construction and Molecular Switches in Lungs during Metamorphosis of Microhyla fissipes为题,发表在Biology上。研究工作得到第二次青藏高原综合科学考察研究、中科院重点部署项目、国家自然科学基金、四川省科技基础条件平台建设等的支持。


图3.肺表面活性蛋白和血红蛋白的转录变化模式