《PLOS Biology》：The anti-neural role of BMP signaling is a consequence of its ancestral function in dorsoventral patterning
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在具有中枢神经系统（如脊椎动物或节肢动物）的两侧对称动物中，BMP信号活性梯度的最低点决定了中枢神经系统的位置。BMP依赖的次级体轴图式形成是两侧对称动物的祖先特征，可能也存在于其姐妹类群刺胞动物中。然而，两侧对称动物神经系统中枢化程度差异显著——从弥散型到完
在具有中枢神经系统（如脊椎动物或节肢动物）的两侧对称动物中，BMP信号活性梯度的最低点决定了中枢神经系统的位置。BMP依赖的次级体轴图式形成是两侧对称动物的祖先特征，可能也存在于其姐妹类群刺胞动物中。然而，两侧对称动物神经系统中枢化程度差异显著——从弥散型到完全中枢化——加之刺胞动物缺乏中枢神经系统，表明BMP信号不能被普遍视为“抗神经”信号。研究人员利用刺胞动物珊瑚虫纲（Anthozoa）的转基因报告品系Nematostella证明，BMP信号在特定的神经元群体中活跃。此外，抑制BMP信号后进行RNA测序显示，BMP信号是大量神经元基因的正调控因子，包括顶级神经祖细胞标志物soxB(2)。进一步，研究人员分析立方水母纲（Cubozoa）Tripedalia和钵水母纲（Scyphozoa）Stomolophus中的BMP信号活性，证实BMP信号在弥散神经系统部分的活跃并非珊瑚虫纲独有，而是刺胞动物的祖先特征，为珊瑚虫纲和水螅纲（Medusozoa）所共有。最后，研究人员展示非模式螺旋动物、箭虫纲（Chaetognatha）Spadella的高度中枢化腹侧神经系统，起源于胚胎侧方成对的BMP信号阳性区域。综上，数据提示BMP信号的一个祖先功能可能是促进神经发生。研究人员提出，BMP信号在脊椎动物和节肢动物中的“抗神经”功能，是其外胚层背腹轴全局图式形成作用的次生结果。
研究背景与意义
BMP信号通路在脊椎动物和节肢动物中通过背腹轴（DV）图式形成调控中枢神经系统（CNS）的建立，其核心机制是神经外胚层定位于BMP信号低活性区域——脊椎动物为背部，节肢动物为腹部。该模型支撑了“中枢神经系统在两侧对称动物演化早期单次起源”的经典假说，认为脊索动物背腹轴反转使得祖先的腹侧BMP最低值转变为背侧。然而，两侧对称动物神经系统呈现从中枢化到弥散型的连续多样性，且刺胞动物（两侧对称动物的姐妹类群）仅具有无中枢结构的弥散神经网，同时不同类群中BMP信号扰动对神经系统的效应从促进、抑制到无影响差异显著，提示BMP信号的“抗神经”属性并非普适，其祖先功能仍不明确。本研究通过跨谱系比较分析，揭示BMP信号在刺胞动物和螺旋动物中的促神经发生作用，提出脊椎动物和节肢动物的“抗神经”功能是背腹轴图式形成的衍生后果，为理解神经系统演化的分子机制提供了新范式，相关成果发表于《PLOS Biology》。
关键技术方法
研究采用多物种比较体系：刺胞动物选用珊瑚虫纲Nematostella vectensis、立方水母纲Tripedalia cystophora、钵水母纲Stomolophus sp.；螺旋动物选用箭虫Spadella cephaloptera。核心技术包括：利用转基因报告品系结合免疫荧光染色检测磷酸化SMAD1/5（pSMAD1/5，BMP信号通路下游转录效应因子）的细胞定位；通过BMP受体抑制剂K02288处理结合批量RNA测序（bulk RNA-seq）和组织特异性差异表达分析，鉴定BMP信号调控的下游基因；利用发育单细胞转录组数据集解析BMP通路组分在细胞类型中的表达谱；通过原位杂交验证神经标志物的表达变化；在箭虫中结合原位杂交链式反应（HCR-FISH）检测BMP配体与拮抗剂的表达模式。
研究结果
BMP通路基因在Nematostella发育单细胞图谱的神经元亚型中广泛表达
分析Nematostella发育单细胞转录组数据，发现BMP配体（bmp2/4、bmp5-8、gdf5-like、admp）、效应因子（smad1/5、smad4）、受体（alk2、alk3/6、bmprII、actrII）及拮抗剂（rgm、smad6、chordin、gremlinA/B、noggin1/2、crossveinless2、follistatin）均在神经分泌细胞亚群中表达，而在肌肉细胞中表达极低或无表达。
中胶层肌区域的pSMAD1/5在神经元而非肌肉细胞中活跃
利用myosin heavy chain1（myhc1）转基因报告系标记中胶层肌，免疫染色显示pSMAD1/5阳性细胞核与肌肉细胞无共定位；在soxB(2)（神经祖细胞标志物）、elav1（分化神经元标志物）、nanos1（神经节神经元标志物）、nanos2（感觉神经元标志物）转基因报告中，pSMAD1/5与这些神经元标志物显著共定位，但在prdm14d（另一类神经节神经元标志物）阳性细胞中无共定位，表明BMP信号仅在特定神经元亚型中激活。
BMP信号在水螅纲神经系统中活跃
在Tripedalia medusa中，pSMAD1/5与α-微管蛋白（αTub，广谱神经元标志物）共定位于伞部神经网、环神经的神经节神经元及刺细胞（cnidocyte，刺胞动物特化的分泌型神经细胞）；在感觉器官罗帕利亚（rhopalium）中，pSMAD1/5限定于柄区、顶透镜眼及坑眼的上半部分，包含此前报道的巨型神经元。在Stomolophus ephyra中，pSMAD1/5在罗帕利亚基段、中间段及刺细胞簇中活跃，与5-羟色胺（5-HT）阳性细胞共定位，但与GLWamide阳性细胞无重叠。
成年Nematostella中抑制BMP信号导致神经元调控因子差异表达
用K02288处理成年息肉5小时，组织特异性RNA-seq显示489个差异表达基因，其中332个与神经发生相关。核心神经祖细胞标志物soxB(2)、soxE1、ashB及神经分化因子paxB、sp5、fosB等均显著下调，且该调控模式与胚胎期BMP抑制的转录响应高度保守。
Nematostella幼虫中抑制BMP信号下调神经谱系标志物
在2天浮浪幼虫中，BMP2/4吗啉寡核苷酸（morpholino）敲降或K02288处理均导致soxC、soxB(2)、insm、prdm14d、pou4、elav1等神经标志物表达显著降低；抑制窗口越早，下调效应越强，提示BMP信号在幼虫神经发生中起持续促进作用。
Stomolophus metaephyra中抑制BMP信号下调推定神经谱系标志物
K02288处理的Stomolophus metaephyra转录组中，与Nematostella直系同源的差异表达基因里，4个神经元特异基因和10/11个刺细胞特异基因在两种物种中均下调，表明发育阶段BMP信号对神经和刺细胞谱系均有正调控作用；而成年Nematostella中刺细胞基因被BMP信号上调，提示其功能随发育阶段转换。
BMP信号在螺旋动物的神经发生域中活跃
在Spadella胚胎中，pSMAD1/5呈背腹梯度分布，背侧活性最高；神经外胚层（后期形成腹侧神经中心的侧方细胞簇）位于pSMAD1/5阳性区域；孵化后幼体和稚虫中，pSMAD1/5仍在腹侧神经中心的侧体簇及冠状纤毛器等感觉结构中活跃，表明BMP信号参与中枢神经系统的发育。
讨论与结论
研究证实BMP信号在刺胞动物弥散神经系统中具有促神经发生功能，该特征为刺胞动物祖先性状，且在螺旋动物Spadella的中枢神经系统发育中保守。由此提出：BMP信号的“抗神经”作用是背腹轴图式形成的次级结果——在脊椎动物和节肢动物中，神经外胚层定位于BMP信号梯度的低活性端，使得BMP信号的整体抑制成为神经诱导的前提，但其本身在神经谱系分化（如外周神经元、肠神经系统）中仍保留促神经功能。这一模型调和了不同类群中BMP信号对神经系统相反效应的矛盾，支持“神经系统多次独立中枢化”的假说，即两侧对称动物祖先可能已具备弥散型神经系统，BMP信号的背腹轴图式形成功能先于中枢神经系统的起源，其中央化是后续独立演化的结果。研究为理解动物体型与神经系统的协同演化提供了关键分子证据。
