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文昌鱼的进化地位处于脊索动物的基部,因其身体图式的基本特征与脊椎动物相似,而成为研究脊椎动物起源和进化的重要材料。脊椎动物的转录因子Sox7和Sox17在内胚层表达,在早期胚胎发育及内胚层形成过程中起着重要的作用。对斑马鱼、爪蛙等生物的Sox7及Sox17研究发现,它们都可以诱导泛内胚层标记基因Edd的表达,是内胚层形成必不可少的。文昌鱼是否存在和脊椎动物Sox7、Sox17类似的基因,以及它们是否参与内胚层发育尚不清楚。
本研究在青岛文昌鱼基因组中只找到一个脊椎动物Sox7和Sox17的同源基因,并克隆了其完整的编码序列,其完整的开放阅读框长度为1824 bp,编码一个含有607个氨基酸的蛋白质,该蛋白同其他物种中的Sox家族成员一样含有一个HMG-box,而且在碳端含有Sox-C-TAD的特征,说明它是Sox基因家族的一员。尽管在青岛文昌鱼基因组中只发现一个脊椎动物Sox7和Sox17的同源基因,但用2种方法构建的系统进化树都表明,文昌鱼的该Sox家族成员与脊椎动物的Sox7聚为一支,显示它与Sox7的进化关系更近,因此我们将该基因命名为AmphiSox7-like。AmphiSox7-like与多种生物的Sox7有较高的序列保守性,提示了AmphiSox7-like在进化过程中功能的保守性和重要性。
Real-Time PCR结果显示,文昌鱼AmphiSox7-like基因存在母源性表达,到3h囊胚期母源性的表达因消耗而降低。在合子基因表达以后,随着发育进行,到6h,AmphiSox7-like的表达量持续增大,在9h左右的晚原肠胚表达量最大,随后开始下降。在48 h幼鱼阶段,AmphiSox7-like仅剩很低水平的表达。同时,文昌鱼胚胎原位杂交结果也证明AmphiSox7-like存在母源性表达,而且揭示了AmphiSox7-like在囊胚时期呈不对称性表达,植物半球的表达量高于动物半球。原肠胚时期,该基因在原肠胚内层即预定中内胚层细胞中表达。该表达图式说明文昌鱼AmphiSox7-like可能与中内胚层的发育有关。
为了研究青岛文昌鱼AmphiSox7-like的功能,我们构建了ASox7(即AmphiSox7-like)、DSox7和DSox17(即斑马鱼Sox7和Sox17)的pCS2+表达载体,并通过体外转录得到其mRNA。应用显微注射技术分别将上述3个基因的mRNA注射到斑马鱼一细胞期的胚胎中,对AmphiSox7-like的功能进行了跨物种的研究。这3个基因的过表达导致了相似的异常表型,如无眼、单眼、小眼、小头、体轴弯曲、心包囊肿等。用Real-Time PCR和原位杂交技术检测AmphiSox7-like过表达胚胎中各胚层标记基因的表达,结果显示,内胚层标记基因Sox32的表达上调,中胚层标记基因ntl和外胚层标记基因otx2的表达下调。据此可以推断,像文献早已报道的DSox7和DSox17—样,AmphiSox7-like也参与内胚层的发育.它促进内胚层形成,并可能因此导致中胚层和外胚层受到抑制,从而导致上述异常表型。分别注射斑马鱼DSox17-MO或DSox7-MO敲低斑马鱼的DSox7或DSox17,并共注射不同剂量的文昌鱼AmphiSox7-like mRNA以拯救其表型。结果显示AmphiSox7-like mRNA可以纠正注射MO所造成的表型缺陷,并呈现剂量依赖效应。这些结果表明,AmphiSox7-like与DSox7和DSox17的功能在一定程度上存在着重叠,对内胚层的发育有促进作用。这也与系统进化分析的结果相符,即文昌鱼只有一个Sox7/ Sox17同源基因,而斑马鱼的Sox7和Sox17可能是从同一个祖先基因倍增并分歧进化而来,它们的功能与AmphiSox7-like仍存在一定程度的重叠。
这是首个报道的在文昌鱼早期胚胎中参与内胚层发育的基因调控网络成员,同时也显示了文昌鱼与脊椎动物的内胚层形成机制是保守的。