脊椎動物由水到陸的演化具有里程碑式的意義，在這個演化的過程中，脊椎動物面臨的最重要的挑戰之一就是呼吸介質從水到空氣的轉變。兩棲動物是最早適應陸地環境的四足動物，對絕大多數兩棲動物來說，它們的肺在空氣呼吸中起著不可或缺的作用。研究兩棲動物在登陸過程中肺的功能化過程，是揭示脊椎動物空氣呼吸方式演化的重要工作。雖然兩棲動物肺的形態和生理功能已經有了廣泛的研究，但變態發育過程中肺微觀結構的變化和分子機制仍有待闡明。除了血氣屏障的結構外，肌肉組織和免疫系統的發育水平也明顯影響氣體交換的效率。 

 為了探討以上科學問題，中國科學院成都生物研究所江建平研究員團隊科研人員以飾紋姬蛙為研究對象，綜合轉錄組測序和透射電鏡技術系統地觀測研究了變態發育過程中肺的微觀結構變化，功能蛋白的轉錄變化以及潛在的分子調控機制。 

　　圖1 不同發育時期肺的形態結構 

　　結果（圖1，2）表明：（1）在變態前期，飾紋姬蛙肺的體積快速增長，同時底物代謝和蛋白質轉換相關的基因上調轉錄。這可能為肺的快速生長提供了物質和能量基礎。（2）在變態高峰期，肺泡囊膠原纖維增加，結締組織致密，肺泡上皮細胞纖毛密度和長度都增加；這一時期肺的特征基因主要是細胞外基質、纖毛發生以及有絲分裂相關的基因，表明在變態高峰期，細胞外基質重構可能促進了細胞的增殖與分化，進而加速了肺的形態建成。（3）在變態后期，肺的肌纖維增加；同時，肌肉收縮以及能量代謝相關的基因顯著上調轉錄，從而增強肺氣體交換的效率，實現肺的功能建成。（4）在成體時期，肺形成了成熟的血氣屏障結構，而這一時期的特征基因主要是組織分化調控、肺循環以及免疫相關的基因，提示成體時期的肺得以進一步發育，肺循環能力和免疫能力同步增強，肺功能的完善與此時更強的陸地適應能力相一致。 

　　圖2 不同時期肺差異表達基因的加權基因共表達網絡分析及功能富集分析 

　　從關鍵功能分子轉錄模式來看，在變態高峰期，成體型血紅蛋白逐漸代替了幼體型血紅蛋白，而且不同類型肺表面活性蛋白的轉錄模式也在這一時期發生轉變（圖3）。這些功能分子表達模式的轉變可能是肺呼吸功能趨于成熟的重要表征和物質基礎。 

　　圖3 肺表面活性蛋白和血紅蛋白的轉錄變化模式 

　　這項研究工作以“From Water to Land: The Structural Construction and Molecular Switches in Lungs during Metamorphosis of Microhyla fissipes”為題發表于國際期刊“Biology”。該研究揭示了變態發育過程中兩棲動物肺結構和功能建成的關鍵步驟，為脊椎動物空氣呼吸方式的演化提供了線索。中國科學院成都生物研究所博士研究生常利明為文章的第一作者，中國科學院成都生物研究所江建平研究員和朱未助理研究員為共同通訊作者。該研究得到第二次青藏高原科學考察項目（2019QZKK05010503）、中國科學院重點部署項目（KJZG-EW-L13）、國家自然科學基金（31900327, 31471964）、四川省科技基礎條件平臺建設等項目的資助（2019JDPT0020）。

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