长期以来人们一直认为海星根本没有头但它们可能只是
几个世纪以来，博物学家一直对海星(通常称为“海星”)的头部的构成感到困惑。当观察一条蠕虫或一条鱼时，很清楚哪一端是头，哪一端是尾。但由于它们有五个相同的手臂——其中任何一个都可以带头推动海星穿过海底——人们都在猜测如何从背面确定生物体的前端。这种不寻常的身体结构让许多人得出结论：海星可能根本没有头。
但现在，由陈·扎克伯格旧金山生物中心研究人员领导的斯坦福大学和加州大学伯克利分校的实验室发表了一项研究，发现事实更接近绝对相反。简而言之，虽然研究小组在幼年海星的几乎所有地方都检测到了与头部发育相关的基因特征，但编码动物躯干和尾部部分的基因表达却基本上缺失。
在另一个令人惊讶的发现中，通常与头部最前部相关的分子特征位于海星每条手臂的中部，这些特征逐渐变得更加靠后，朝着手臂的边缘移动。
这项于 11 月 1 日发表在《自然》杂志上的研究表明，海星远非无头，而是在进化过程中失去了身体，变成了只有头。
Biohub 资助的博士后学者、这项新研究的主要作者 Laurent Formy 表示：“这就好像海星完全失去了躯干，最好的描述是它只是一个沿着海底爬行的头。” “这根本不是科学家对这些动物的假设。”
该研究的三位共同高级作者中的两位，斯坦福大学的海洋和发育生物学家 Christopher Lowe 和加州大学伯克利分校的动物物种分子进化专家 Daniel Rokhsar 已经合作了十年，并且是由CZ Biohub SF校园间研究奖。Lowe 引用该奖项作为新发现的重要催化剂，该奖项支持 Formy 两个实验室之间的联合博士后学者职位。
“我们提议共同开展的工作非常雄心勃勃，但传统的融资机制通常无法很好地发挥作用，”洛说。“生物中心愿意承担风险并为我们实验室之间的联合立场提供支持，这对于该项目的成功至关重要。”
一个星形拼图
几乎所有动物，包括人类，都是左右对称的，这意味着它们可以沿着从头到尾延伸的单个轴分成两个镜像的两半。1995 年，诺贝尔生理学或医学奖授予了三位科学家，他们利用果蝇证明了大多数动物中从头到尾的双侧身体结构是由一系列由基因编码的分子开关的作用产生的，以定义的头部和躯干区域表示。
研究人员后来证实，绝大多数动物物种都具有相同的基因编程，包括人类和鱼类等脊椎动物，以及昆虫和蠕虫等许多无脊椎动物。
但海星的身体结构长期以来一直困扰着科学家对动物进化的理解。成年海星——以及相关的棘皮动物， 如海胆和海参——没有表现出双边对称，而是有五重对称轴，没有清晰的头部或尾巴。没有人能够确定遗传编程如何驱动这种不寻常的五重对称性。
一些科学家提出，在海星中，头到尾的轴线可能从动物的装甲向后延伸到其下腹部，下腹部覆盖着所谓的管脚。其他人则认为海星的五个臂中的每一个都对应于传统的头尾轴的复制品。
然而，明确证实此类假设的努力面临着挑战，主要是因为主要在小鼠和苍蝇等少数模型生物体中开发的检测基因表达的方法在年轻海星的组织中效果不佳。多年来，洛和他的同事们一直渴望通过绘制发育中海星的遗传活动图来利用遗传信息来解决这个问题。但是，如果没有经过几十年的研究开发出来的针对典型模式生物的复杂遗传工具包，这样的全面分析是令人望而生畏的。
改变游戏规则的技术
Lowe 在 Biohub 调查员的一次旧金山例行会议上遇到了这个问题的解决方案，另一位研究人员建议他联系 PacBio，这是一家总部位于硅谷的基因组测序设备公司。在过去的五年里，PacBio 一直在完善一项技术，使用邮票大小的芯片对大量遗传物质进行测序，芯片上挤满了数百万个单独的化学反应器，每个化学反应器都准备好同时读取其中捕获的长段 DNA。
传统测序需要将遗传物质切成小块以确保准确性，而 PacBio 的方法称为 HiFi 测序，它可以从完整的基因大小的 DNA 链中提取高度准确的数据，从而使该过程更快、更便宜。这正是 Lowe 和他的团队建立从头开始研究海星遗传学的过程所需要的。
这项新研究的共同高级作者、前研究人员戴维·兰克 (David Rank) 表示：“以前需要几个月的测序现在只需几个小时即可完成，而且比五年前便宜数百倍。” PacBio 科学研究员。“这些进步意味着我们可以从头开始研究通常不会在实验室中研究的生物体，并进行 10 年前不可能进行的详细研究。”
这项技术使研究人员能够对海星的基因组进行测序，并采用一种称为空间转录组学的方法，通过这种方法，他们可以查明哪些海星基因在生物体的精确位置上活跃。为了寻找表明头尾轴的模式，研究人员检查了身体三个不同方向的基因表达差异：从海星的中心到臂尖，从顶部到下腹部，以及从一侧将其手臂的边缘贴向另一侧。然后，为了更仔细地观察某些关键基因的行为方式，他们用荧光染料将它们一一标记，以创建它们在海星体内分布的详细图谱。
研究人员发现，关于海星身体计划结构的两个著名假设都不正确。相反，他们发现与人类和其他双侧对称动物的前脑相对应的基因表达位于海星手臂的中线，而与人类中脑相对应的基因表达则朝向手臂的外缘。虽然标记人类和其他两侧对称动物头部不同分区的基因在海星中表达，但只有一种通常与动物躯干相关的基因在海星手臂的最边缘表达。
弗雷里说：“这些结果表明，棘皮动物，尤其是海星，具有我们今天所知的头部和躯干区域脱钩的最引人注目的例子。”他补充说，一些长相奇特的海星祖先保存在化石记录似乎确实有一个树干。“它只是提出了大量新问题，我们现在可以开始探索。”
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