《Proceedings of the National Academy of Sciences》：Animals have expanded the evolutionary legacy of unicellular ancestors in blood cells
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血细胞是动物界普遍且独特的细胞群体，赋予其应对防御与运输等关键挑战的能力。因此，其进化代表了后生动物（Metazoa）多细胞生命的一项定义性创新。然而，关于血细胞如何在动物历史中涌现及多样化，其进化轨迹仍不清楚。本文研究人员呈现了一种结合生物信息学与功能数据的
血细胞是动物界普遍且独特的细胞群体，赋予其应对防御与运输等关键挑战的能力。因此，其进化代表了后生动物（Metazoa）多细胞生命的一项定义性创新。然而，关于血细胞如何在动物历史中涌现及多样化，其进化轨迹仍不清楚。本文研究人员呈现了一种结合生物信息学与功能数据的综合分析，表明后生动物血细胞程序很可能起源于一个由Fos基因调控的、古老的单细胞动物（premetazoan）工具包的重新利用。这一原始程序在后生动物根部建立了巨噬细胞样（macrophage-like）的初始血细胞。随后，在双侧对称动物（Bilateria）起源处发生的首次谱系分叉驱动了专门化的肥大细胞/杀伤细胞谱系的出现，其特征是获得了用于抗寄生虫防御的颗粒蛋白酶。随后，后口动物/脊椎动物（deuterostome/vertebrate）的创新从肥大细胞分化出了T/NK细胞和红细胞/血小板谱系，而B细胞则源自巨噬细胞。研究人员的数据还表明，在脊索动物（chordate）祖先的鳃边缘形成了一个原型的胸腺。与进化历史一致的是，现代造血通路也显示了系统发育的遗迹：表达Fos基因的、系统发育上较古老的细胞谱系（如巨噬细胞和肥大细胞）的分化潜能被广泛保留，并且具有有限谱系潜能的古老造血干细胞（HSC）被继承为谱系起源的祖细胞（origo-lineage progenitors）。研究人员的框架提供了一个展示建立于古老单细胞基础之上的适应性创新的血细胞历史。
本文解读了发表于《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）上的一项重要研究，该研究通过跨物种转录组比较，构建了动物血细胞谱系的系统发育框架，揭示了其从单细胞祖先到多细胞动物复杂免疫系统的进化历程。
研究背景方面，血细胞作为动物特有的循环细胞群体，是防御病原体和运输资源的基础，其进化是多细胞生命的关键创新。然而，尽管已知脊椎动物拥有包括巨噬细胞、B细胞、T细胞、自然杀伤（NK）细胞和肥大细胞在内的多种血细胞谱系，但它们如何从共同祖先分化出来的进化逻辑尚不明确。早期研究提示最早的血细胞可能类似巨噬细胞，但缺乏一个完整的血细胞谱系系统发育树来阐明分化过程。此外，血细胞与非血细胞之间更广泛的进化关系，以及初始血细胞在后生动物祖先中精确的出现时间点，也未得到详细预测。因此，开展此项研究旨在利用多物种比较数据，重建血细胞谱系的进化历史，理解其多样性起源。
研究人员为开展这项研究，主要采用了以下关键技术方法：首先，他们改进了跨物种转录组数据比较的方法，构建了涵盖从脊椎动物到单细胞真核生物的综合细胞谱系系统发育树，物种包括人类、小鼠、斑马鱼、海鞘、果蝇、线虫、海绵以及多种单细胞领鞭毛虫和原生生物。其次，他们利用生物信息学手段，基于转录因子（TF）的表达谱和结合位点分析，推断了祖细胞状态的调控网络。功能验证方面，他们在与动物亲缘关系较近的单细胞生物*Capsaspora owczarzaki*中进行了*Fos*基因的强制表达实验。此外，研究人员还利用基因敲入小鼠模型（Il7r-Cre; Rosaflox-stop-YFP）进行了谱系追踪的体内实验，并通过体外共培养体系评估了不同造血祖细胞的肥大细胞分化潜能。研究还整合了公开的染色质可及性（ATAC-seq）数据和单细胞RNA测序数据进行分析。样本来源涵盖了脊椎动物、无脊椎脊索动物（海鞘、文昌鱼）、棘皮动物（海胆）、节肢动物（果蝇）、线虫、海绵以及单细胞原生生物。
研究结果部分，主要得出以下结论：
巨噬细胞样血细胞在动物门起源处进化，继承了单细胞祖先特征。通过构建涵盖动物和单细胞生物、血细胞和非血细胞的系统发育树，研究人员发现动物血细胞与单细胞领鞭毛虫（如*S. rosetta*和*C. owczarzaki*）构成一个分支。转录组分析表明，血细胞比非血细胞谱系更深刻地表达了起源于单细胞祖先的古老基因。关键转录因子*Fos*和*Stat1-5*同源物在所有分析的动物血细胞中高度表达。功能实验证实，在*C. owczarzaki*中过表达*Fos*能抑制细胞聚集并维持变形虫状态，提示以*Fos*表达为特征的血细胞遗传程序可追溯至动物与领鞭毛虫的共同祖先。
肥大细胞/杀伤细胞谱系的分叉发生在双侧对称动物起源处。基于转录因子的逐步、逆时系统发育分析显示，在后口动物中，海鞘和海胆的杀伤细胞与脊椎动物的肥大细胞聚类，而海鞘的肥大样细胞（test cells）则与脊椎动物的细胞毒性T/NK细胞聚类。这些细胞共享*granzyme*和肥大细胞蛋白酶（MCPT）的同源基因高表达。系统发育树进一步表明，红细胞/血小板谱系更接近肥大细胞/杀伤细胞谱系而非巨噬细胞谱系，而B细胞谱系似乎起源于巨噬细胞谱系内部。对双侧对称动物祖先的推断显示，果蝇的晶体细胞（CCs）与后口动物的肥大细胞/杀伤细胞在转录上相似，而果蝇的巨噬细胞和片细胞（LMs）与后口动物巨噬细胞相似。功能通路分析表明，双侧对称动物祖先的肥大细胞/杀伤细胞谱系主要获得了对抗寄生虫的能力，这解释了该谱系在进化早期分化的优势。
原型胸腺在脊索动物祖先的鳃边缘形成。研究假设海鞘的鳃可能具有类似脊椎动物胸腺的功能。通过整体原位杂交（WISH）实验，他们发现多个在海鞘杀伤细胞（morula cells）中高表达的标记基因（如*Tecta*，*Siva1*，*Fras1*）在鳃裂边缘区域表达，表明这些细胞聚集于此。关键的是，在鳃裂边缘检测到了*Notch*配体*Dlk*以及胸腺发育关键转录因子*Foxn1/4*同源物的表达。这表明在脊索动物祖先中，一个原型胸腺结构在鳃边缘演化形成，为T/NK/肥大细胞谱系的发育提供了微环境。
巨噬细胞和肥大细胞分化潜能的广泛保留是进化历史的遗迹。研究人员在小鼠造血系统中检验了T/NK细胞与肥大细胞的进化关联。利用谱系追踪小鼠模型，他们发现腹腔中约半数的肥大细胞和约20%的巨噬细胞起源于淋巴系祖细胞。体外实验证实，淋巴系髓系倾向祖细胞（LMPP）和早期胸腺祖细胞（ETP）均具有肥大细胞分化潜能，表明T细胞祖细胞保留了这种潜能。染色质可及性分析显示，决定巨噬细胞（如*Cebpa*）和肥大细胞（如*Gata2*，*Tcf7l1*）的关键转录因子位点在造血分化早期即开放，而T细胞特异性位点（如*Gata3*，*Tcf7*）开放较晚。这解释了为何巨噬细胞和肥大细胞（进化上最古老的两个谱系）的分化潜能在现代造血中被最广泛地保留。研究总结提出，现代多谱系祖细胞（如DN1-2胸腺祖细胞具有T/NK/肥大/巨噬潜能，粒细胞-单核祖细胞具有红/血小板/肥大/巨噬潜能）所持有的潜能组合，恰好反映了其进化获得谱系的顺序，表明发育过程中的谱系限制在很大程度上逆转了进化中的谱系获得序列。
论文讨论部分总结了血细胞谱系进化的整体框架：动物血细胞程序起源于一个被*Fos*调控的单细胞祖先工具包的重用，在后生动物根部建立了巨噬细胞样的初始血细胞。随着进化，动物间寄生现象的选择压力驱动了双侧对称动物祖先中肥大细胞/杀伤细胞谱系的分化，其携带的颗粒蛋白酶主要服务于抗寄生虫防御。在后口动物和脊椎动物祖先中，该谱系进一步分化出T/NK细胞、红细胞/血小板，而B细胞则从巨噬细胞谱系演化而来。同时，在脊索动物祖先中，鳃边缘形成了原型胸腺。这一漫长的进化历史在现代哺乳动物造血系统中留下了清晰的遗迹：进化上古老的巨噬细胞和肥大细胞谱系，其分化潜能被广泛保留在各级祖细胞中，且古老的造血干细胞作为谱系起源祖细胞被继承。研究结论指出，研究人员的框架提供了一个基于转录相似性的动物血细胞谱系进化史，揭示了复杂的脊椎动物免疫系统是一个古老单细胞工具包高度专业化的扩展，该工具包成功地适应了动物多细胞化的更高需求。该框架解释了从单细胞祖先到海绵变形细胞再到哺乳动物巨噬细胞之间的深刻连续性，并为解读现代动物发育中保留的功能遗迹提供了一个稳健的视角。
