小鲟鱼的背部鳞片。最近的一项研究发现，一种特殊类型的干细胞，主干神经嵴细胞，负责鱼类骨骼保护鳞(鳞片)的发育。这一突破揭示了我们的软体进化祖先是如何进化出保护性盔甲的，为众多脊椎动物物种的进化铺平了道路。资料来源:J. Stundl提供

大约3.5亿年前，你的进化祖先——所有现代脊椎动物的祖先——仅仅是生活在海洋中的软体动物。为了生存并进化成今天的我们，这些动物需要获得一些保护，并在海洋捕食者中占据优势，当时海洋捕食者主要是甲壳类动物。

皮甲的进化，比如有甲鲶鱼身上锋利的刺，或者鲟鱼身上坚硬的菱形鳞片(称为scutes)，都是一种成功的策略。成千上万种鱼类都有不同类型的皮肤盔甲，由骨头和/或一种叫做牙本质的物质组成，牙本质是现代人类牙齿的重要组成部分。像这样的保护膜帮助脊椎动物生存下来，并进一步进化成新的动物，最终成为人类。

但是这些盔甲是从哪里来的呢?我们古老的水下祖先是如何进化出这种保护层的呢?

现在，一项利用鲟鱼的新研究发现，一种被称为主干神经嵴细胞的特定干细胞群负责鱼类骨鳞的发育。这项工作是由Jan Stundl进行的，他现在是Marie Sklodowska-Curie博士后学者，在加州理工学院爱德华·b·刘易斯生物学教授兼贝克曼研究所所长Marianne Bronner的实验室工作。描述这项研究的论文最近发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上。

Jan Stundl在实验室里拿着一条鲟鱼。资料来源:J. Stundl提供

布朗纳实验室一直对研究神经嵴细胞很感兴趣。这些细胞存在于包括鱼、鸡和人类在内的所有脊椎动物中，它们的分化取决于它们是来自头部(颅骨)还是脊髓(躯干)区域。头盖骨细胞和主干神经嵴细胞都是从它们的起始点迁移到整个动物发育的身体，产生构成颌骨、心脏和其他重要结构的细胞。剑桥大学2017年的一项研究表明，干神经嵴细胞在一种叫做小鳐的鱼类中产生了基于牙本质的真皮盔甲，Stundl和他的同事们假设，相同的细胞群也可能在脊椎动物中广泛产生基于骨的盔甲。

近距离重建一条鲟鱼的鱼鳞。成骨细胞用洋红色标记。资料来源:J. Stundl提供

为了研究这一点，Stundl和他的团队转向了鲟鱼，特别是小鲟鱼(acpenser ruthenus)。现代鲟鱼以生产世界上最昂贵的鱼子酱而闻名，它们与数百万年前的祖先有许多相同的特征。这使它们成为进化研究的主要候选者。

Stundl和他的团队利用在捷克共和国鱼类养殖和水生生物研究所生长的鲟鱼胚胎，使用荧光染料跟踪鱼的躯干神经嵴细胞如何在其发育中的身体中迁移。鲟鱼在几周后开始长出它们的骨鳞，所以研究人员把这些正在生长的鱼放在一个黑暗的实验室里，以免光线干扰荧光染料。

研究小组在鲟鱼骨鳞形成的确切位置发现了荧光标记的主干神经嵴细胞。然后，他们用一种不同的技术来突出鱼的成骨细胞，一种形成骨骼的细胞。在发育中的鱼鳞的荧光细胞中发现了与成骨细胞分化相关的遗传特征，这为主干神经嵴细胞确实产生成骨细胞提供了强有力的证据。结合2017年关于神经嵴细胞在形成基于牙本质的盔甲中的作用的发现，这项工作表明，主干神经嵴细胞确实负责产生骨骼真皮盔甲，使脊椎动物鱼类的进化成功。

“研究非模式生物很棘手;存在于老鼠或斑马鱼等标准实验室生物中的工具要么不起作用，要么需要进行重大调整，”Stundl说。“尽管存在这些挑战，但来自鲟鱼等非模式生物的信息使我们能够以严格的方式回答基本的进化发育生物学问题。”

布朗纳说:“通过研究生命之树上的许多动物，我们可以推断出发生了哪些进化事件。”“如果我们能从发育生物学的角度来解决进化问题，这一点尤其强大，因为许多导致不同细胞类型的变化是通过胚胎发育中的微小变化发生的。我们非常幸运地得到了加州理工学院进化科学中心的资助，这帮助我们使这类研究成为可能。”

加州理工学院的进化科学中心(CES)是一个全学院范围内的多部门组织，承认并支持通过生物和人为力量在自然界中进行进化变化的研究。

“进化是贯穿整个生物学的中心主题;它统一了我们的学科，”生物和生物工程助理教授、陈氏学者、CES联席主任乔·帕克说。“加州理工学院是一个令人难以置信的地方，有这么多的团队在不同的背景下研究进化问题，包括在进化和发育生物学的界面上——正如这项研究所展示的那样。”

这篇论文的标题是“古代脊椎动物的皮甲从躯干神经冠进化而来”，作者是Jan Stundl, Megan L. Martik, Donglei Chen, Desingu Ayyappa Raja, Roman frank, Anna posspisilova, Martin P?eni?ka, Brian D. Metscher, Ingo Braasch, Tatjana Haitina, Robert Cerny, Per E. Ahlberg和Marianne E. Bronner, 2023年7月17日，美国国家科学院院刊。DOI: 10.1073 / pnas.2221120120

除了Bronner和Stundl之外，加州理工学院的合著者还有现就职于加州大学伯克利分校的前博士后学者Megan Martik和博士后学者Desingu Ayyappa Raja。其他共同作者有瑞典乌普萨拉大学的陈东雷、Tatjana Haitina和Per Ahlberg;捷克南波希米亚大学的罗曼·弗兰克和马丁P?eni?ka;捷克布拉格查尔斯大学的Anna Pospisilova和Robert Cerny;奥地利维也纳大学的Brian Metscher;以及密歇根州立大学的Ingo Braasch。资金由欧盟“地平线2020”研究和创新计划提供;国立卫生研究院;克努特和爱丽丝·瓦伦堡基金会的瓦伦堡奖学金;海伦·海·惠特尼基金会;捷克共和国教育、青年和体育部;捷克科学基金会;和国家科学基金会。

布朗纳和帕克是加州理工学院天桥和陈Chrissy Chen神经科学研究所的附属教员。