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头索动物(cephalochordate)文昌鱼最接近脊椎动物的祖先,与脊椎动物在解剖学、胚胎发育和基因组上都具有很多相似的特征。是揭示脊椎动物神经系统起源与发生的良好模型,也是研究脊椎动物特定基因或基因家族起源和功能演化的最佳参比动物。Ammecr1基因是由Jonsson等于1998年在人类“相邻基因缺失综合症”(AMME)家系的分析中发现。这个症状是由Xq22.3染色体上一段2-Mb的染色体缺失造成,AMMECR1是这段缺失中的1个基因。1999年Vitelli等首次克隆并鉴定了这个基因,并将其命名为Ammecr1。Ammecr1基因广泛存在于生物类群中,而且该基因编码的蛋白序列非常保守。
Ammecr1基因分布的广泛性和序列上的高度相似性暗示了其功能上的保守性。为了更深入地探索脊椎动物Ammecr1基因的功能演化,本文利用原位杂交,实时荧光定量PCR方法比较了文昌鱼和斑马鱼的Ammecr1基因在胚胎发育过程中的表达情况。结果显示,斑马鱼和文昌鱼Ammecr1同源基因都呈现母源性表达,暗示了Ammecr1基因在早期胚胎发育中的功能可能是保守的。二者继合子期的母源性表达之后,在神经胚中均增加了表达量,并且在文昌鱼的神经管腹侧和斑马鱼脑部有显著的信号。随后当胚胎发育到幼体时期,神经系统的信号逐渐减弱,同时头部咽鳃区信号增强。文昌鱼和斑马鱼相似的表达谱表明了Ammecr1基因对脊索动物中枢神经和咽鳃区的发育有原始的功能。
为了进一步阐述Ammecr1基因在斑马鱼和文昌鱼胚胎发育中的功能,针对斑马鱼和文昌鱼Ammecr1 mRNA序列分别设计了一个Morpholino反义RNA,研究胚胎在缺失Ammecr1基因时产生的影响。结果显示,斑马鱼Ammecr1敲低胚胎中有80%脑部、眼睛、躯干肌肉和心血管系统的发育出现缺陷。通过软骨染色还发现头部第1-5对角鳃节咽弓缺失。为了探究Ammecr1在脑部发育中的影响,用整体胚胎原位杂交的方法检测了神经系统发育相关基因的表达情况。发现与中枢神经系统发育相关的众多基因的表达量都有所下调,如Sox2,Zic1,FoxD3, Shh及其下游靶基因Gli2、Nkx2.2a、Ptc2。斑马鱼Ammecr1基因受到抑制后对胚胎发育造成广泛的影响,导致胚胎多个组织器官发育受累,因此推测,斑马鱼Ammecr1很可能通过促进细胞增殖及神经分化来影响胚胎各神经细胞类群的形成。文昌鱼Ammecr1/1l MO敲低实验结果显示:早期母源mRNA受到抑制后,胚胎卵裂球的黏着性降低、卵裂球的空间排布也出现异常,由此导致后期胚胎发育畸形。从神经胚中期缺陷胚胎的横切面可以看出胚胎中内胚层的分化受到显著的影响,并且导致3鳃裂幼体时期,由中内胚层分化形成的咽鳃区器官发育畸形。由此我们推测文昌鱼Ammecr1/1l在早期胚胎中对早期胚胎卵裂和中内胚层的细胞分化起到重要的作用。
然而由于缺乏代表其它具有两个Ammecr1同源基因的模式动物研究,还无法解释硬骨鱼为何丢失了Ammecr1l基因。因此在后续的研究中应当补充脊椎动物Ammecr1和Ammecr1l的功能研究,通过与文昌鱼和斑马鱼Ammecr1基因的功能比较,为硬骨鱼Ammecr1l丢失的原因寻找依据。另外,通过对文昌鱼和斑马鱼的功能研究发现,Ammecr1基因在胚胎发育中对细胞的增殖和分化有重要的作用,后续研究可以利用蛋白互作的相关技术,揭示Ammecr1基因所处的分子网络。