加州理工學院的一項研究發現，軀幹神經嵴細胞是魚類保護性骨鱗的起源，這揭示了脊椎動物盔甲的進化過程。大約3.5 億年前，你們的進化祖先以及所有現代脊椎動物的祖先都只是生活在海洋中的軟體動物。為了生存和進化成我們今天的樣子，這些動物需要獲得一些保護和優勢，以戰勝海洋中的捕食者，當時這些捕食者主要是甲殼類動物。

鱘魚背部的鱗片。最近的一項研究發現，一種特定類型的干細胞–軀幹神經嵴細胞–負責魚類骨質保護性鱗片（鱗片）的發育。這一突破揭示了我們的軟體進化祖先是如何發展出保護性鱗甲的，為眾多脊椎動物物種的進化鋪平了道路。圖片來源：J. Stundl 提供

皮甲的進化是一種成功的策略，比如鯰魚身上的尖刺或鱘魚身上的菱形骨質鱗片（稱為鱗片）。數以千計的魚類利用不同模式的皮甲，皮甲由骨頭和/或一種叫做牙本質的物質組成，牙本質是現代人類牙齒的重要組成部分。像這樣的保護層幫助脊椎動物生存下來，並進一步進化成新的動物，最終成為人類。

但是，這些盔甲從何而來？我們古老的水下祖先是如何進化出這種保護性外衣的呢？

現在，一項利用鱘魚進行的新研究發現，被稱為軀幹神經嵴細胞的特定乾細胞群是魚類骨質鱗片發育的原因。這項工作由揚-斯通德爾（Jan Stundl）完成，他現在是加州理工學院愛德華-B-劉易斯生物學教授兼貝克曼研究所所長瑪麗-斯克洛多夫斯卡-庫裡（Marie Sklodowska -Curie）實驗室的博士後學者。介紹這項研究的論文最近發表在《美國國家科學院院刊》（PNAS）上。

Jan Stundl 在實驗室裡拿著一條鱘魚。圖片來源：J. Stundl 提供

長期以來，布朗納實驗室一直對神經嵴細胞的研究很感興趣。神經嵴細胞存在於所有脊椎動物體內，包括魚類、雞和我們自己，這些細胞根據其產生於頭部（顱骨）還是脊髓（軀幹）區域而變得特化。顱神經嵴細胞和軀幹神經嵴細胞都會從它們的起點遷移到動物的整個發育身體，產生構成頜骨、心臟和其他重要結構的細胞。劍橋大學2017 年的一項研究表明，軀幹神經嵴細胞在一種名為小鰩魚的魚類中產生了以牙本質為基礎的真皮護甲，此後，施通德爾和他的同事推測，同樣的細胞群也可能在脊椎動物中廣泛產生以骨骼為基礎的護甲。

單個鱘魚鱗片的重建特寫。成骨細胞以洋紅色標出。圖片來源：J. Stundl 提供

為了研究這個問題，斯通德爾和研究小組轉而研究鱘魚，特別是鱘魚（Acipenser ruthenus）。現代鱘魚因生產世界上最昂貴的魚子醬而聞名於世，但它們仍然具有許多與數百萬年前的祖先相同的特徵。這使它們成為進化研究的首選對象。

利用捷克共和國魚類養殖和水生物研究所培育的鱘魚胚胎，斯通德爾和他的團隊使用熒光染料追踪了鱘魚的軀幹神經嵴細胞如何遷移到整個發育中的身體。鱘魚在幾週後開始長出骨質鱗片，因此研究人員將生長中的魚放在黑暗的實驗室中，以免熒光染料受到光線乾擾。

研究小組在鱘魚骨質鱗片形成的準確位置發現了熒光標記的軀幹神經嵴細胞。然後，他們使用另一種技術突出顯示了魚的成骨細胞，這是一種形成骨骼的細胞。他們在鱘魚正在形成的鱗片中的熒光細胞中發現了與成骨細胞分化相關的基因特徵，這有力地證明了軀幹神經嵴細胞確實產生了骨形成細胞。結合2017年關於神經嵴細胞在形成以牙質為基礎的盔甲中的作用的發現，這項工作表明，軀幹神經嵴細胞確實負責產生骨質真皮盔甲，這使得脊椎動物魚類的進化取得了成功。

Stundl說：”與非模式生物合作非常棘手；在小鼠或斑馬魚等標準實驗生物中存在的工具要么不起作用，要么需要進行重大調整。儘管存在這些挑戰，但來自鱘魚等非模式生物的信息使我們能夠以嚴謹的方式回答基本的進化發育生物學問題”。

布朗納說：”通過研究生命之樹上的許多動物，我們可以推斷發生了哪些進化事件。”如果我們能從發育生物學的角度來探討進化問題，這一點就尤為重要，因為導致細胞類型多樣化的許多變化都是通過胚胎髮育過程中的微小變化發生的。我們非常幸運地得到了加州理工學院進化科學中心的資助，它幫助我們使這類研究成為可能”。

加州理工學院的進化科學中心（Center for Evolutionary Science，CES）是一個全校範圍內的多部門組織，它認可並支持對自然界中通過生物和人為力量發生的進化變化的研究。