近日，中國海洋大學海洋生物遺傳學與育種教育部重點實驗室、方宗熙海洋生物進化與發育研究中心傳來重大消息，中國工程院院士、中國海洋大學教授包振民與王師團隊在國際權威學術期刊《科學進展》上發表了動物骨骼造血研究領域的突破性成果，首次揭示無脊椎動物骨骼中普遍存在造血干細胞巢，為理解動物骨骼造血系統的起源和演化提供了全新視角。
脊椎動物具有造血功能的內骨骼與無脊椎動物的外骨骼 中國海洋大學供圖
寒武紀生命大爆發距今約5.4億年前，以礦化骨骼動物爆發式涌現為標志，奠定了現今地球生物多樣性的基本藍圖，但其成因一直是演化生物學的核心謎題。長期以來，無脊椎動物外骨骼被視為無生命的礦化物，而脊椎動物骨骼內骨髓的終身造血功能被視為其“特有”的關鍵創新，是教科書中的經典認知。
軟體動物作為海洋中最大的動物門類，也是寒武紀早期起源的主要礦化骨骼動物類群之一。前期研究發現，貝類的外骨骼（貝殼）具有諸多令人費解的生物學特性，與脊椎動物造血骨骼存在驚人關聯性，卻難以用傳統認知解釋。
研究團隊在一次實驗“失誤”中獲得關鍵突破。在用常規軟體組織核酸提取方法處理新鮮貝殼時，意外檢測到大量具有生物活性的RNA分子，暗示貝殼中存在大量活細胞。面對從堅硬、不透明貝殼中研究細胞功能的巨大挑戰，團隊經過多年攻關，成功建立了適用于無脊椎動物外骨骼的干細胞研究體系。
通過多組學遺傳解析、細胞體外培養和誘導分化、活體動物細胞示蹤和功能驗證等系統性研究，團隊取得一系列原創性發現。其一，貝殼內造血干細胞比例高達40%-60%，遠高于高等脊椎動物骨髓中造血干細胞或前體細胞通常低于10%的比例，其獨特的高比例干細胞維持機制可為再生醫學領域干細胞治療研發提供重要啟示。其二，從多個維度證實貝類造血譜系與高等脊椎動物造血譜系具有同源性，打破了脊椎動物骨骼造血系統為“高等演化”的傳統認知。其三，發現貝類造血干細胞同時具有生物礦化功能，挑戰了外套膜作為唯一貝殼礦化組織的傳統認知，揭示了造血與礦化在動物祖先的深層次演化聯系。其四，發現動物界主要類群的礦化骨骼中均存在造血干細胞巢，揭示動物祖先造血干細胞核心調控基因集，表明骨骼干細胞巢的出現可能是寒武紀動物大爆發的重要驅動力之一。
據悉，“無脊椎動物骨骼內普遍存在造血干細胞巢”這一原創性發現，是國際上首次發現存在跨動物界保守的普適性干細胞巢，顛覆了骨骼造血為脊椎動物特有演化創新的傳統觀念，解答了無脊椎動物造血干細胞來源之謎。該成果不僅為理解動物造血系統起源演化提供了全新視角，也為海洋生物干細胞研究開辟了新領域和新方向。
該研究工作得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃、山東省泰山學者計劃等項目資助。
論文相關信息：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adw0958
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