海膽，常見于精緻餐廳裡的刺身盤上，其獨特口感讓吃貨們欲罷不能，在這裡淺考一下各位：
以下關于海膽的說法中，哪項是正确的？
A、海膽是一種古老的生物，最早可追溯至4億年前
B、海膽和海星、海參是近親
C、海膽的膽子很小，一見敵人就逃跑
D、海膽的種類很多，現有品種多達900種
答案：以上全對
不僅如此，海膽還是生物科學史上最早被使用的模式生物之一，海膽胚胎的相關研究，對早期發育生物學的發展更是有着舉足輕重的作用。
近日，由美國杜克大學與青島華大基因研究院聯合發起的一項海膽胚胎與幼蟲的遺傳發育研究，通過基因組學和單細胞轉錄組學等多組學聯合分析的方式，展示了兩種海膽之間高度差異化的早期生活史，揭示海膽胚胎形成模式的早期事件發生對進化造成的影響，以及發現自然選擇可以在大範圍内迅速重塑發育過程中的基因表達。研究成果發表于《自然·生态與進化》（Nature Ecology & Evolution）。
《自然·生态與進化》官網截圖
本次研究以紅海膽和短棘海膽作為研究對象，根據已有研究，這兩種海膽的種間分化發生在大約500萬年前，雖然聽起來很久遠，但相對于海膽5億年的曆史來說，它們已經算得上是親緣關系最接近的親戚之一了。
理論上說，兩種親緣關系如此相近的海膽，它們的各項特征應當是極其相似的。但實際上，紅海膽和短棘海膽的幼蟲形态、發育過程、捕食習性等方面都存在巨大的差異，這就成功引起了科學家們的興趣。
紅海膽的發育模式比較經典，是大多數海膽種類都會遵循的由胚胎至幼蟲的發育過程，甚至海星的幼蟲發育也具有類似形态。而短棘海膽則走出了小衆路線，其胚胎發育過程從一開始的形态就與衆不同。
△圖檔第一行：以紅海膽為代表的經典發育模式
受精卵-囊胚-原腸胚-棱柱幼蟲-長腕幼蟲，口器形成，開始攝食浮遊微藻類以擷取營養物質來進一步生長發育，直至完成變态發育；
△圖檔第二行：以短棘海膽為代表的衍生發育模式
以較大體型的卵細胞開始，卵細胞中的營養物質足夠，在完成變态發育之前無需攝食。
為探究兩種海膽親緣關系相近但胚胎發育模式大不相同這一謎題，本次研究團隊首先采用高通量測序技術，分别組裝了紅海膽和短棘海膽的染色體水準基因組，兩種海膽全基因組序列全長分别為0.89 Gb和1.06Gb，各具有21條染色體，染色體間存在良好的共線性關系。這也從分子層面上對兩種海膽之間非常相近的親緣關系進行了再次确認。
依靠以上得到的全基因組序列，研究團隊發現紅海膽與短棘海膽之間胚胎早期發育基因調控網絡（dGRN）相關基因的編碼序列沒有發生明顯的差異，也就是說，短棘海膽胚胎和幼蟲發育以及生活史的廣泛改變并不是由相關基因自身結構或功能上的重大改變引起的。
既然不是基因層面導緻的差異，是否因為基因受到了不同調控使得最終表達不一樣呢？研究團隊開始瞄向了染色質開放區域（OCR）。
染色體是染色質高度盤旋卷曲而形成的螺旋樣結構，當基因需要表達時，基因和相應調控因子所在的染色體區域就會開放，以便于酶等生物大分子的結合。
是以，染色質開放區域可以提供大量的基因表達調控資訊，其序列變化也提示着相應基因的表達調控可能發生了變化。
研究團隊使用ATAC測序技術，探索染色質開放區域中的調控元件是否發生了變化。結果發現，胚胎發育形态發生了變化的短棘海膽，染色質開放區域中潛在的增強子和啟動子序列都受到了明顯的環境選擇作用，其基因組内可能廣泛存在調控元件功能的正選擇。而當研究團隊将目光聚焦到dGRN相關基因附近的染色質開放區時，發現短棘海膽的這些區域相比于其他海膽發生了更多的變化，相關序列的進化速度和染色質狀态變化頻率達到了其他區域的3倍，這一現象在其他海膽中是沒有觀察到的。
此外，為了測試兩種海膽胚胎發育過程中的細胞類型是否也發生了變化，研究人員使用單細胞測序技術對多種海膽的胚胎囊胚進行分析。研究結果表明，在短棘海膽中，胚胎中細胞的早期命運決定發生了延遲，其成骨細胞系細胞命運的關鍵調控因子作用也發生了演變。
海膽胚胎單細胞測序分析細胞聚類結果
研究團隊通過進一步實驗，驗證了短棘海膽胚胎發育過程中細胞分化關鍵基因的表達情況。實驗結果表明，在短棘海膽的胚胎發育過程中，與成骨細胞分化直接相關的兩個基因，其抑制作用、基因家族的序列相似度已出現明顯差異，這也提示dGRN基因内部發生了更深刻的進化變化。
本研究通過多組學聯合分析，立足兩種近緣海膽的胚胎發育模式差異，對胚胎早期發育基因調控網絡進行了深入研究，發現自然選擇能夠在短時間内通過改變調控元件序列和染色質可及性來在全基因組範圍内深刻影響基因調控，并表明在自然選擇面前，發育基因調控網絡的保守性不一定意味着發育模式的限制，相關機制仍然可能發生進化。
青島華大基因研究院郭浩冰博士表示，“這項研究為海洋生物的進化發育提供了新的研究思路，在發育基因調控網絡中發現了自然選擇對物種發育進化産生的深遠影響，也為将來進一步揭示基因調控變化相關的深層機制打下了基礎。”