近日，我校鱼类遗传育种团队高泽霞教授课题组联合西北工业大学生命科学与技术学院王堃教授课题组，在《美国国家科学院院刊》（PNAS）在线发表题为“Co-option of a tendon-associated osteogenic program drives the evolutionary plasticity of intermuscular bones in teleosts”的研究论文。该研究系统解析了鱼类肌间刺的起源与演化规律，揭示了真骨鱼类中存在一种独特的肌腱相关成骨程序，为真骨鱼类适应性辐射过程中肌间刺的可塑性演化提供了机制性解释。
真骨鱼类是地球上物种最丰富的水生脊椎动物类群。肌间刺起源于2亿多年前的早期真骨鱼类，是直接在肌隔肌腱中膜内成骨形成的特殊骨骼结构，其形态、数量和分布在不同鱼类中差异显著。在鲤科等主要养殖鱼类中，大量肌间刺影响消费者接受度和产品加工利用，因而，解析其演化基础和潜在发育程序兼具演化生物学与水产产业研究意义。然而，真骨鱼类如何在维持肌腱结构完整性的同时启动成骨程序，以及肌间刺多样性与生态适应和演化轨迹之间的关系，仍缺乏系统认识。
为厘清肌间刺的演化规律，研究团队整合360种真骨鱼类的形态数据，将肌间刺类型归纳为5种组合模式。比较分析发现，早期分化类群的肌间刺通常数量较多、类型和形态更复杂，部分较晚分化类群则呈现简化或消失趋势，且不同谱系中发生了多次独立消失，表明肌间刺具有较高的演化可塑性。生态功能分析表明，肌间刺的存在与海洋鱼类的垂直水深范围扩展及团头鲂爆发游泳能力增强相关，但上述关系具有生境和肌间刺类型局限，且衍生类群的肌间刺简化或消失与生态位策略密切相关，提示肌间刺的保留或丢失可能反映不同生态需求下的演化权衡。
真骨鱼类肌间刺的形态多样性、演化分布及生态功能
为进一步探究肌间刺的演化基础，研究团队对斑点雀鳝、斑马鱼、团头鲂和黄颡鱼开展跨物种单细胞转录组比较。结果显示，肌间刺相关的前成骨细胞和成骨细胞仅存在于具有肌间刺的斑马鱼和团头鲂肌隔组织中，且肌隔中前成骨细胞具有显著的肌腱-成骨的分子特征。结合组织学观察和空间表达结果，进一步说明了肌间刺来源于肌腱骨化且与肌隔中肌腱来源的成骨细胞募集有关。同时，研究团队还发现TGD事件产生的旁系基因的差异性调控与利用是肌腱相关成骨程序中的一个普遍特征，如成骨相关基因runx2b在肌间刺相关成骨分化过程中发挥重要作用，而非其旁系基因runx2a。
跨物种单细胞转录组及组织学揭示肌腱相关成骨程序
研究团队发现肌膈处的成骨细胞与分化中的肌腱细胞有关后，聚焦肌腱成熟调控因子Mkx的功能研究，发现Mkx参与调控肌间刺发生发育，且旁系同源基因mkxa和mkxb在肌间刺形成过程中存在调控差异。单细胞转录组分析显示，mkx突变体中前成骨细胞仍然存在，核心成骨基因也未出现普遍下调，但成熟成骨细胞显著减少。进一步研究发现，mkx缺失会导致Ⅰ型胶原等细胞外基质相关基因表达下降，胶原纤维难以形成正常、规则的纤维束。研究据此提出，肌间刺形成依赖于Mkx塑造的肌腱微环境，其介导的肌腱ECM是前成骨细胞成熟为功能性成骨细胞的条件之一。
Mkx功能研究
针对肌间刺在不同真骨鱼类谱系中独立消失的现象，研究团队比较了鲇形目、鲀形目等无肌间刺类群的基因组，发现其成骨功能相关基因收缩、而肌腱/肌肉功能相关基因扩张。同时，runx2b、bmp6、ccn2b、scxa和mkxa等成骨或肌腱微环境调控相关基因呈现氨基酸替换、保守序列缺失或基因缺失等变化，表明这些基因可能是肌间刺演化丢失相关调控网络的重要组成部分。
真骨鱼类肌间刺独立丢失相关的比较基因组特征
综上，该研究提出了真骨鱼类肌间刺形成的“成骨启动—肌腱微环境许可”机制模型：以runx2b为代表的成骨因子启动肌隔区域的成骨程序，mkxa/b则通过维持肌腱细胞外基质微环境，支持前成骨细胞成熟和矿化。研究表明，真骨鱼类通过协同调用相关细胞类型和基因网络，在肌隔肌腱中形成肌间刺；该发育网络不同节点的变化，则可能推动肌间刺的形态简化和多次独立丢失，为理解其演化可塑性提供了机制解释。
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、湖北洪山实验室高泽霞教授和西北工业大学生命科学与技术学院王堃教授为论文通讯作者，华中农业大学博士后熊雪梅、博士周佳佳（已毕业）、西北工业大学博士后胡明亮为共同第一作者。比利时根特大学Ann Huysseune教授、Paul Eckhard比利时根特大学参与了研究。该研究得到国家自然科学基金、国家大宗淡水鱼产业技术体系、中国博士后科学基金等相关科研项目资助。
链接：//www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2533268123
