Evo-devo基本概念及原理讨论【第1期】——发育扩展适应(Exaptation)
新的生物学性状如何起源是生物学研究的重要问题，新性状的出现是否都是从无到有的演化过程？我们在物种之间可以观察到广泛的遗传差异，传统群体遗传学或者比较基因组学研究可能会简单的推导，是这些遗传差异的出现推动了新性状从无到有的演变。然而发育生物学给出了不同的答案。生物体的某些特征在进入新的环境或者某个演化节点，其功能会发生转变，产生与最初起源时不同的新功能，比如，食粪金龟属（Onthophagus）的甲虫的角，它最初源于幼虫时期用于蜕皮的前胸角，但在不断的演化中，这一结构逐渐成为了雄性甲虫争夺配偶的利器；飞蛾和蝴蝶翅膀上明亮的彩色鳞片，它在某些物种中可能会发生颜色、大小或者排列方式的改变，从而成为它们吓退捕食者的有效防御工具。这些复杂特征的功能演化的过程被称为发育扩展适应（Developmental Exaptation）。
概念的演变
发育扩展适应是一个融合了演化生物学和发育生物学的独特概念。扩展适应（Exaptation）指的是在演化过程中一种特征的功能发生了变化，比如鸟类的羽毛，最初是为了保温而演化出来的，但后来也逐渐适应于鸟类的飞行需求。“特征在演化历史上可能发生功能上的变化”这一想法最初是1859年由达尔文（Charles Robert Darwin, 1809-1882）提出的（Darwin, 1859）。这一现象在之后的几十年间一直被称为“预适应（Preadaptation）”。1982年，Gould（Stephen Gould, 1941-2002）和Vrba（Elizabeth Vrba, 1936-2023）引入了扩展适应（Exaptation）的概念，将其定义为“一些最初有其他的用途或者可能没有特定功能的特征，在演化的过程中扩展到了他们当前的功能上的过程”(Gould and Vrba, 1982)。而发育扩展适应的概念则是从发育过程的角度来审视扩展适应。Chipman于2001年提出了这一概念，他的主要观点是“发育程序的变化在对生物体的演化上的作用和外部环境的变化相似，发育扩展适应是指在发育过程中预先存在的特征在内外在环境的影响下产生了对某个特定环境生存有利的变化”（Chipman, 2001）。而到今天，随着我们对基因调控及其演化机制的了解更加深入，这些理论也得到了新的发展，使得我们可以从更全面的角度理解发育扩展适应的复杂性和多变性。
图1、发育扩展适应概念的演变过程
发育程序中的选择压力
发育是一个复杂的过程，涉及了从基因转录与翻译的精妙调控，到细胞行为模式与组织分化的精细调控，直至整个组织层面动态变化的广泛范畴。所有这些层面都处于持续不断的选择压力之下，以确保发育程序的顺利推进。那么，在这一系列跨越不同层级的选择机制中，“发育扩展适应（Developmental Exaptation）”究竟是如何发挥其独特作用的呢？
01
基因调控层面的自然选择作用
在基因表达调控层面上，自然选择可以在多个维度发生，比如顺式调控元件（如特定的转录因子结合位点和增强子、沉默子、组蛋白修饰等等）可以影响基因的空间和时间表达模式；转录本的非翻译区的突变和microRNA可以调控翻译的水平和速率；随机序列变化可能会使转录本受新的调控元件的控制等等。基因调控选择的一个经典的例子是Chipman 在2001年提出发育扩展适应概念时提到的Hox基因。在脊椎动物和节肢动物中，Hox基因的表达区域控制前后轴上的形态特征，这些表达域的变化，被视为轴向特征演化的关键驱动力（Wellik, 2009）。在调控机制发生紊乱时，Hox基因表达区域的变化可能会引发生长发育相关的疾病，比如先天性畸形，影响胚胎的正常发育过程和器官的形成。在Hox基因表达的下游也可能存在一些既没有明显功能，也不会被自然选择所淘汰的“中性”调控区域。当Hox基因的调控元件发生变化，其基因的表达可能会扩展到这些原本没有特定功能的调控区域上，导致这些区域被激活，成为新的调控机制的一部分。新的调控区域的激活可能会引入新的功能或者弥补Hox基因紊乱导致的功能缺失，可能促进新的适应性功能的形成。在这一过程中，原先没有特定功能的调控区域在演化过程中形成新的适应性功能就是发育扩展适应的体现。
图2、Hox基因在小鼠骨骼发育中的空间表达与前后轴形态特征的调控（Wellik, 2009）
02
细胞行为层面的自然选择作用
发育，简单来说就是细胞增殖并迁移到正确的位置的过程。细胞分裂的速率和时机与形成的器官大小密切相关。细胞增殖之后，需要依据特定的位置信号进行迁移，这些位置信号必须适应于细胞增殖过程中大小数量的改变。细胞增殖时间或速率的变化都会对这些位置信号施加选择压力，促使位置信号的调整以适应细胞增殖后的数量改变，确保细胞能够迁移到正确的位置上。当外部环境发生变化时，一些之前没有特定作用的中性变异，在特定条件下可能会提高细胞增殖时间或速率，在新的环境下促使新的位置信号的发生，帮助细胞在新的位置更好的增殖，从而实现器官大小的改变以适应新的环境。夸张性状（Exaggerated traits）就是在演化过程中器官大小发生急剧变化的现象。性选择是驱动夸张性状的形成重要原因，如鹿角常用于吸引配偶，强大的角是雄性魅力与武力的象征。雄性会利用角进行激烈的争斗，以争夺配偶和领地，而雌性则更容易被那些拥有更大、更华丽的角的雄性所吸引。这种选择压力促使他们的角在演化过程中逐渐变得越来越大、越来越复杂。此外，演化过程中生态环境的变化也可能会导致夸张形状的产生，比如水黾在适应水上的生活过程中，演化出了能在水上形成有效浮力，在水面上自由移动的长腿，从而能够更好的捕食，也更好的逃避捕食者。类似这样特征功能的变化可能是在物种演化过程中，为了适应新的生存环境或生态需求，一些最初没有特定功能的变异不断积累，从而产生了新的适应性特征功能，这就是发育扩展适应的过程。
图3、夸张性状（鹿的角和水黾的腿）
03
组织分化层面的自然选择作用
在组织分化上的选择，细胞在发育程序中需要经历一系列特定的信号传导和基因表达变化，从而分化成为特定的细胞类型，执行特定功能。细胞外部环境的变化可能会影响细胞内部增殖分化的信号，造成细胞的大小数量和位置的改变，导致细胞分化命运的变化。通过调整细胞内部的基因表达和信号传递，可以促使某些细胞优先选择适应于新环境的分化路径。以神经干细胞的分化为例，在胚胎发育过程中，神经细胞可以分化为神经元、星形胶质细胞、少突胶质细胞等多种细胞类型。当细胞外部环境发生改变时，比如生长因子浓度变化时，神经干细胞内的Notch信号通路可能会被激活，从而抑制神经干细胞向神经元的分化，促使其向星形胶质细胞分化，以适应环境的变化（Louvi, 2006）。在胚胎发育过程中，外部环境的变化可能会导致细胞“身份”的变化，一些本来要分化成其他组织的细胞可能会被招募到新的组织构成中。这些预先存在的，不是专门为新组织而演化出来的细胞“身份”的转变也是“扩展适应”的表现。在组织分化水平上的一个常见的例子是一些脊椎动物（例如鳄鱼）皮膜骨结构的演化。皮膜骨一般出现在头骨、颚骨、鳃盖、肩带、鱼鳍等位置，起源于真皮层的间充质细胞。皮膜骨要演化到一个新的位置，需要在相应位置预先存在间充质细胞库。如果真皮组织中没有必要的细胞，皮膜骨就无法演化到特定的位置，这说明已有细胞的存在是发育扩展适应的关键因素。
图4、Nortch信号通路调控神经干细胞的分化(Louvi, 2006)
04
形态发生运动层面的自然选择作用
形态发生运动通常由细胞粘附的差异性调控、细胞形状或细胞类型的变化导致，并受到持续的选择压力，以确保胚胎结构的正确性。细胞身份的变化通常伴随着位置信号和形态发生运动的选择性改变，使其更好适应新的胚胎环境。在演化过程中，某个结构或特征在新的位置发育的现象就叫异位性。这一过程中，周围细胞的身份、它们分泌的因子，甚至形态排列都可能使得特定细胞的异位变化具有选择性优势。例如，前尖牙蛇在发育过程中能够通过不同部位的异速生长将后牙板移至上颌前部。为了使牙齿在新的位置分化并发育，新的发育环境必须提供支持性组织，通过分泌特定的生长因子，传递细胞信号来支持毒牙的形成（Vonk, 2008）。虽然我们无法确定这一演化过程的中间阶段，但来自毒牙异位的两种蛇系的发育数据证实了前尖牙蛇中毒牙向上颌前部演化的过程。毒牙结构随着发育程序的变化逐步适应新位置，并发挥新的功能就是一种发育扩展适应的表现。
图5、 前尖牙蛇孵化后12-26天上颌分区的异速生长（Vonk, 2008）
05
发育时序层面的自然选择作用
发育的一系列过程在时间上都必须精确协调，发育时间的整合是发育程序中最强的内部选择压力。发育过程中的一个常见的现象就是发育事件相对时间的差异，也就是异时性，比如发育时间的提前或延迟。在节肢动物谱系中，对渐增分节（anamorphic segmentation）和定型分节（epimorphic segmentation）模式之间的转变的研究较多，这是两种体节的发育模式，在定型分节的体节发育模式中，所有体节在胚胎孵化之前就已形成，而在渐增分节发育模式中，部分体节的形成则发生在胚胎发育后期。这种时序的差异反映了不同物种在发育过程中面临的选择压力会导致发育事件的不同时间整合方式。环境资源、捕食竞争等外部条件都可能影响到节肢动物体节形成过程的演化，比如在资源紧张的环境条件下，节肢动物可能更倾向于定型体节的发育模式。这种体节形成时序的变化可以在节肢动物谱系中发生双向转变。在胚胎发育过程中，体节形成时间在孵化前和孵化后的转换涉及到发育过程的全面重组，需要多个发育过程在时间和功能上的协调，包括基因表达、信号传导和细胞活动等等。因此，我们可以推测，在这种发育程序的重大转变出现之前，可能已经出现了一些发育时序的微调。这些发育时序微调过程中涉及到的基因调控网络的变化就可以看作发育扩展适应的前提。节肢动物演化过程中这种体节发育模式的转变过程体现了在发育时序的持续选择压力之下的扩展适应过程。
发育扩展适应在高度保守基因中的体现
不同基因以不同的速率演化，这种速率的差异通常被用于构建推断系统发育树的工具。在演化过程中，一些基因高度保守，以非常慢的速率发生变化，然而，演化速率慢并不意味着他们的功能在演化过程中不会发生变化。对高度保守或缓慢演化基因的常见解释是它们处于非常强的负向选择压力之下。这不禁引发了我们的思考，那么在有选择压力使得保守基因的功能驱向于保持不变的情况下，这些基因是否可以产生新的功能，如果可以，要如何实现呢？发育扩展适应的概念提供了一种可能的解释。高度保守基因受到的强烈的负向选择压力不仅要求其序列和功能的稳定性，也要求他们与一些生物因子（比如特定的转录因子，蛋白质复合物等等）之间的相互作用保持稳定，以维持生物体所必需的生理过程。而这些保守基因功能的变化或许就是由于这些相互作用的因子上的改变引发的。这些相互作用因子上的改变可能是演化过程中新的选择压力的产物，也可能是随机变异的结果。与保守基因相互作用的因子上的改变可能会影响保守基因的表达，进而导致基因功能的改变。这种改变最初不直接影响保守基因本身，却能够在演化过程中通过影响与保守基因相互作用的因子，从而改变保守基因的功能，这可能是实现发育扩展适应的一种途径。
以高度保守的植物干细胞调控基因CLV3为例，这个基因变化速率非常缓慢，在约1.25亿年的进化历程中保持了稳定的功能和表达模式，能够在多种植物中调控分生组织的大小，维持组织分裂的平衡。然而，这一保守基因的功能在不同物种中也有所扩展。比如，和拟南芥相比，CLV3在番茄的果实形成中发挥了更重要的作用。这种保守基因的功能的扩展或许可以用发育扩展适应的过程来解释。研究发现，CLV3基因的顺式调控序列在不同物种中有显著差异（Ciren, 2004）。例如，拟南芥和番茄的CLV3基因在调控区域发生变化时的反应上存在差异，拟南芥的CLV3基因对其上下游区域的大范围突变具备较高的耐受性，而番茄的CLV3基因上游调控区则对微小的改动极为敏感。这种对顺式调控元件的敏感度差异暗示了保守基因的功能变化可能并非是直接发生在该基因编码区，而是通过相互作用因子上的改变间接引发的。这些调控区域上的改变虽然起初可能与CLV3基因的核心功能无关，但在演化过程中，通过影响其相互作用的调控元件，可能改变CLV3基因的表达模式，从而影响到这个基因在不同物种中的表型差异。
图6、CLV3上游调控区域在物种间的差异（Ciren, 2024）
总结
发育扩展适应指的是最初在发育程序中来源于随机事件或者有特定功能的特征，在胚胎环境发生变化时这些特征能为新功能的产生提供可能性和内部选择优势。这些特征包括基因调控区域，细胞身份，以及一些结构的相对位置和时序等很多方面。特征并非凭空出现，而是现有特征或网络在经历剧烈选择压力变化后快速转变的结果。从根本上来看，发育扩展适应的过程总会涉及到基因调控和相互作用的变化，它本身也是基因调控网络（或者说Character Identity Networks）的产物。研究发育扩展适应的挑战在于难以追溯导致发育过程变化的事件，也难以预测当前特征未来的适应性变化情况。因此，探究这一过程必须考虑到基因、基因调控及其相互作用组成的网络。
参考文献：
Chipman, A.D. (2001) ‘Developmental exaptation and evolutionary change’, Evolution & Development, 3(5), pp. 299–301. doi:10.1046/j.1525-142x.2001.01033.x.
Ciren, D., Zebell, S. and Lippman, Z.B. (2024) ‘Extreme restructuring of cis-regulatory regions controlling a deeply conserved plant stem cell regulator’, PLOS Genetics, 20(3). doi:10.1371/journal.pgen.1011174.
Darwin, C. (1859) On the origin of species by means of natural selection, or, the preservation of favoured races in the struggle for life / [Preprint]. doi:10.5962/bhl.title.68064.
Gould, S.J. and Vrba, E.S. (1982) ‘Exaptation—a missing term in the science of form’, Paleobiology, 8(1), pp. 4–15. doi:10.1017/s0094837300004310.
Louvi, A. and Artavanis-Tsakonas, S. (2006) ‘Notch signalling in Vertebrate Neural Development’, Nature Reviews Neuroscience, 7(2), pp. 93–102. doi:10.1038/nrn1847.
Vonk, F.J. et al. (2008) ‘Evolutionary origin and development of snake fangs’, Nature, 454(7204), pp. 630–633. doi:10.1038/nature07178.
Wellik, D.M. (2009) ‘Chapter 9 Hox Genes and vertebrate axial pattern’, Current Topics in Developmental Biology, pp. 257–278. doi:10.1016/s0070-2153(09)88009-5.
