包括鱼类和两栖类在内的低等水生脊椎动物具有侧线这一重要的感觉器官。在系统演化过程中,尽管真骨鱼的电感受器发生了丢失,但软骨鱼和非新鳍亚纲的侧线系统都是由感受机械振动的机械感受器(神经丘)和感受弱电场的电感受器(壶腹器官)组成。这两类功能迥异的侧线感受器却都由感觉细胞、支持细胞和神经细胞组成,且它们都起源于一系列的侧线基板。头部侧线基板通过延伸形成感觉嵴,然后在感觉嵴的中央区形成神经丘原基,旁侧区形成壶腹器官原基。目前,两类侧线感受器分化的分子基础尚不清楚,而这是理解电感受器在系统进化中出现-消失-再出现的关键。目前对鲟鱼侧线系统的研究,在形态学上已经有较全面的认识,越来越多基因和信号通路被报道与侧线系统相关。其中的研究发现,脊椎动物机械感受器的发育受到Shh、Wnt、RA等信号的调控。既然神经丘机械感受器和壶腹电感受器来自共同的祖先——侧线基板,那么侧线基板是如何分化成神经丘和壶腹器官?这些信号在分化过程中又发挥怎样的作用?我们通过转录组测序、整体原位杂交等研究手段,在分子水平上对西伯利亚鲟(Acipenser baerii)侧线系统机械和电感受器的分化机制进行了初步探究。西伯利亚鲟隶属于硬骨鱼纲、辐鳍亚纲、鲟形目,是非常古老的鱼类之一,也是少数几种同时具有神经丘和壶腹器官的硬骨鱼类之一,在侧线系统进化史中占有极其重要的地位,是研究侧线系统机械感受器和电感受器分化机制的重要实验材料,具有极高的研究价值。1.小分子化合物对西伯利亚鲟侧线感受器发育的影响Hedgehog信号、RA信号、典型Wnt/β-catenin信号在动物胚胎的早期发育、器官形成、组织再生和其它生理过程中具有至关重要的作用。为了阐明这些信号通路是否参与西伯利亚鲟侧线感受器神经丘和壶腹器官的分化,我们分别用小分子化合物20μM环巴胺、0.1μM视黄酸、1μM视黄酸、10μM DEAB、20μM DEAB、50mM氯化锂对st29期西伯利亚鲟胚胎处理4天,通过普通光学显微镜观察西伯利亚鲟的形态变化,扫描电镜和FM1-43染色观察侧线感受器神经丘和壶腹器官组织形态学变化和数量变化。结果显示环巴胺不仅影响西伯利亚鲟头部眼睛、触须、唇和躯干背鳍、尾鳍的发育,还抑制神经丘和壶腹器官的发育,且对壶腹器官发育的作用更显著。视黄酸低浓度组并未受到明显的抑制作用,而高浓度视黄酸处理组对神经丘和壶腹器官的抑制作用很显著,尤其是壶腹器官,几乎未见生成。DEAB两个浓度组对西伯利亚鲟仔鱼的影响并没有形成明显的差异,且与对照组相比,神经丘和壶腹器官的生成以及形态结构几乎不受DEAB的影响。同样的,氯化锂对西伯利亚鲟仔鱼神经丘和壶腹器官的生成以及形态结构几乎没有影响。以上结果初步表明环巴胺作用的Hedgehog信号通路以及视黄酸作用的RA通路可能参与了侧线感受器神经丘和壶腹器官的发育过程。2.Hedgehog信号参与西伯利亚鲟侧线感受器发育接着,我们从基因表达的角度进一步分析Hedgehog信号通路在侧线感受器发育中的作用。首先,我们对再生过程中的神经丘和壶腹器官的转录组进行比较分析,发现Hedgehog信号通路关键基因(Shh,Patched1)在两类感受器中差异表达,且它们的表达在再生过程中呈现动态性。然后,我们用环巴胺(cyclopamine,Hedgehog信号抑制剂)处理西伯利亚鲟胚胎(st29),通过整体原位杂交,在分子水平上分析了Shh,Patched1,Smoothened,Gli2基因在西伯利亚鲟中的表达。结果表明在st32和st36期的西伯利亚鲟中,Shh,Patched1,Smoothened,Gli2基因的表达较为广泛,且处理组与对照组的基因表达差异不明显。而从st41期开始,这几个基因的表达范围缩小,主要集中于眼眶下和上下唇区域。在环巴胺处理的西伯利亚鲟中,Shh基因在腹侧眼眶下区域有微弱表达,且在上下唇区域强烈表达;Smoothened基因在腹侧眼眶下区域和上下唇区域均有微弱表达。相对对照组,Shh和Smoothened的表达有稍微减弱,但差异不明显。而Patched1,Gli2基因在环巴胺处理仔鱼腹侧眼眶下区域和上下唇区域几乎不表达,均与对照组的表达差异明显。以上结果提示Hedgehog信号通路与神经丘和壶腹器官的发育有关,推测其在神经丘和壶腹器官的分化过程中起到了重要作用。本研究以西伯利亚鲟为模型,首先通过扫描电镜和FM1-43荧光染色对仔鱼(st43-st44)神经丘和壶腹器官进行形态学观察,发现环巴胺、视黄酸抑制了神经丘和壶腹器官的发育。然后对再生过程中神经丘和壶腹器官的转录组进行比较分析,发现Hedgehog信号关键基因Shh,Patched1,Smoothened,Gli2在两类感受器中差异表达。最后通过整体原位杂交,证明Patched1和Gli2在仔鱼腹面侧线区域的表达受Hedgehog抑制剂环巴胺的显著抑制。推测Hedgehog可能参与了神经丘和壶腹器官的分化。