动物心脏的演化起源可追溯至五亿多年前的寒武纪早期，但人类对于心脏在深远演化时间尺度上的细胞与分子变化规律依然认识有限。2026年7月24日，中国海洋大学赵龙教授团队联合国内外多家科研机构在《Science》杂志发表了题为“Spatially resolved single-cell atlas reveals the macroevolutionary trajectory of animal hearts”的研究论文。该研究整合了27个物种的基因组、单细胞转录组和空间转录组数据，构建了涵盖节肢动物、软体动物和脊索动物的心脏多组学图谱，系统描绘了心脏在主要动物类群中的演化轨迹。 中国海洋大学赵龙教授、王玮教授、王师教授，青岛市妇女儿童医院泮思林教授，广东省人民医院费继锋教授，青岛华大生命科学研究院刘群研究员，为论文共同通讯作者。 中国海洋大学连姗姗副教授、王玮教授、芦美娜博士、韩文韬副教授、硕士研究生骆佳鑫、博士研究生张雪娇，博士研究生李昱儒，广东省人民医院博士研究生刘耀新与辽宁师范大学逄越教授为该文章的共同第一作者。
研究团队通过对跨越五亿多年演化历史的物种进行基因家族比较，发现超过60%的心脏相关基因家族在节肢动物、软体动物和脊索动物之间是共同拥有的，这些基因家族的起源可以追溯至两侧对称动物的共同祖先。利用转录组年龄指数分析，研究团队观察到在特定的演化层级上出现了一个显著的高峰，并且大多数贡献基因都属于这些核心基因家族，它们主要富集在线粒体呼吸、血管发育和心室心肌组织形态发生等基本功能通路中。在这套核心基因工具箱的基础上，各个谱系各自独立获得了特异的基因家族，其中脊索动物的基因新增呈现出跳跃式的积累模式，这与脊椎动物祖先经历的两轮全基因组复制事件在时间上高度吻合。空间转录组数据显示核心基因和谱系特异获得的基因在心脏不同区域呈现出互补的表达模式，核心基因主要定位于心室样区域，而新获得的基因则更多地分布在心房等结构更复杂的区域。
在细胞层面，研究团队在16个物种的心脏中共同鉴定出心肌细胞、内皮细胞、成纤维细胞和神经细胞等主要细胞类型，其中神经细胞虽然数量较少却在所有物种的心脏中均被检测到。通过单细胞数据整合和转录调控网络分析，心肌细胞被确认为演化上最为保守的细胞类型，其关键转录因子如GATA4/5/6和FOXF1/2等在节肢动物和脊椎动物中均被识别出来。研究团队还发现了一个在12个物种中普遍存在的心肌细胞瞬时状态亚群，该状态细胞的特征是钙离子通道基因和肌小节结合蛋白基因的转录本在细胞核内发生明显聚集。在人胚胎心脏中该状态细胞的比例显著高于成体心脏，在小鼠胚胎发育过程中其比例从胚胎期到出生后也呈现出逐渐下降的趋势。当成年小鼠处于低氧环境或发生心肌梗死后，梗死边界区这一状态细胞的比例明显上升，而压力超负荷引起的肥厚模型中并未观察到同样的变化。
关于心脏腔室的演化起源，研究团队利用空间转录组数据重建了心房和心室的分子特征演化史，发现心室相关基因的演化年龄普遍早于心房相关基因，并且核心基因家族在心室区域的表达富集程度更高。在脊索动物基部类群海鞘的管状心脏中，其心肌层主要表达心室样特征基因且转录组年龄指数更低，而围心囊区域则呈现相反的分子特征。跨物种相似性分析表明海鞘的心肌细胞与七鳃鳗心室心肌细胞的转录组相似度高于其与心房心肌细胞的相似度，这一模式在果蝇和蜗牛的比较中同样得到了验证。研究团队据此提出原始祖先心脏主要由具有心室样身份的细胞构成，心房结构是在后续演化过程中通过心室样心肌细胞的进一步特化以及其他非心肌细胞类型的逐步整合而形成的。
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