咽器官的发育和进化起源

脊椎动物的咽器官具有进食和呼吸的双重功能，其胚胎起源是头部侧面的一系列凸起，即咽弓。发育研究已经能够辨别这些结构是如何构建的，这为分析咽部器官在进化过程中是如何组装和修改开辟了道路。多年来，神经嵴在组织咽发育中的作用被强调，因为这被认为是一种独特的脊椎动物细胞类型，有人认为脊椎动物咽器官的发育与其他脊索动物不同。然而，现在已经确定脊椎动物咽部发育的一个关键事件是内胚层出囊形成咽袋。值得注意的是，咽内胚层的出囊是一种基本的后口特征，而调节这一过程的调节网络是保守的。因此，脊椎动物咽器官的结构是古老的。然而，脊椎动物的咽弓更复杂，这可以归因于这些结构中存在神经嵴细胞，形成咽的骨骼支持，以及中胚层，这将产生肌肉组织和弓动脉。在脊椎动物中，随着发育进展超过了系统型阶段，咽器官也被广泛改造，这似乎涉及到发育程序的根本改变。然而，最近的研究表明，这些变化并不像以前认为的那样剧烈。因此，虽然人们认为羊膜动物的进化涉及到鳃及其覆盖物被盖的丧失，但现在很明显，这两种结构都没有完全丧失。 Rather, the gills were transformed into the parathyroid glands and the operculum still exists as an embryonic entity and is still required for the internalization of the posterior pharyngeal arches. Thus, the key steps in our phylogenetic history are laid out during the development of our pharyngeal apparatus.

虽然个体发生并不是简单地概括了系统发生，但个体发生是由系统发生决定的，这一点毫无疑问是正确的。发育过程有进化史，这些可以通过实验分析和对一系列物种的比较研究来揭示。正是通过这些方法，才能深入了解发展过程是如何在进化过程中形成的。在这篇文章中，我们希望讨论咽的发展，并说明这一过程已被其进化史深刻地塑造。重要的是，我们现在处于一个可以将发育和进化研究结合起来的阶段，我们可以确定进化过程中先后出现的步骤。我们可以发现，在脊椎动物出现之前，咽发育的深度保守特征，现在确实可以看到，咽发育早在后口动物出现时就已经进化了。我们也可以将在发育过程中发生的咽区的重塑与发生在脊椎动物内部的进化修饰联系起来。我们认为，在咽发育事件集体背叛了我们的系统发育历史。

咽弓

虽然在考虑成人解剖学时并不明显，但我们的咽器官具有异聚体起源，起源于胚胎头部外侧表面的一系列隆起，即咽弓。这些结构在人类发育的三到四周时首次显现出来，正是在这些结构中，神经、肌肉、骨骼组织和咽的上皮特化随后被奠定和形成。然而，这些结构的发育是复杂的，涉及到许多不同的胚胎种群之间的相互作用(图1) [1］．外胚层，位于外部，将产生表皮并形成局部增厚，称为神经源性基板，感觉神经元将支配咽部。在内部，内胚层形成咽的内衬，以及一些专门的器官:甲状腺，甲状旁腺和胸腺。位于这两层之间的是填充足弓的细胞、中胚层和神经嵴。中胚层位于足弓的中央，形成了足弓动脉和肌肉组织的内皮细胞，而围绕中胚层的神经嵴细胞将形成骨骼和结缔组织。在足弓之间，外胚层和内胚层相互接触，从而划分了每个足弓的前后边界。这在外部表现为外胚层裂，在内部表现为内胚层袋。

随着发展，这种相对简单的异聚体组织变得模糊起来。第一个足弓形成颌骨，但更多的后足弓参与复杂的重排，导致它们的消失。这一过程是由第二足弓的尾侧扩张开始的，它的生长覆盖了更多的后足弓(图2B).第二弓的尾缘随后在心脏隆起(心脏突出)的水平与下面的上皮细胞融合，导致后咽弓被封闭在一个腔内，称为he的颈窦，最终因其壁的平行和融合而消失，形成颈部外表面的光滑轮廓[2］．

咽弓的发育-内胚层的关键作用

二十世纪对许多脊椎动物模型系统的实验研究强调了神经嵴在指导足弓发育中的重要性[4- - - - - -6］．足弓的骨骼结构就是从神经嵴细胞中衍生出来的;神经嵴细胞异位移植可导致骨骼转变。然而，随后的研究表明，神经嵴细胞发挥的作用不像以前认为的那么普遍，内胚层是组织咽部发育的主要角色。咽弓形成的第一个迹象不是神经嵴细胞从大脑迁移，而是内胚层出囊形成咽袋[7，8］．对雏鸡的消融研究也表明，在没有神经嵴细胞的情况下，咽囊会形成并与外胚层接触，这些无冠的咽节段是区域化的，具有认同感[7］．例如，在没有神经嵴细胞的情况下，第二咽弓仍然以高水平的嘘后缘的表情[7］．此外，在斑马鱼中vgo突变体，嵴迁移正常，但后咽内胚层未能分割形成囊袋，导致后咽弓的正常发育失败[9］．在正常发育过程中，内胚层外袋在确定足弓数方面的重要性也很明显。在所有脊椎动物中，都有一种单一的后神经嵴细胞流，填充了数量不定的后弓——七鳃鳗为7个，硬骨鱼为5个，羊膜动物为3个——这些后弓是在咽袋形成后出现并确定的[10- - - - - -12］．

强调神经嵴在脊椎动物咽部发育中所起的中心作用，也分散了人们对这一发育过程的关键保守特征的注意力，这些特征在脊椎动物出现之前就存在了。神经嵴细胞以前被认为是脊椎动物的一个决定性特征[13因此，神经嵴细胞在组织脊椎动物咽弓发育中的关键作用似乎强调了脊椎动物咽与其他脊索动物的不同之处。然而，正是内胚层的外露支撑了咽弓的形成，这一事实为非脊椎脊索动物的比较开辟了更广阔的途径。

内胚层外袋的后口起源

在文昌鱼等头脊索类动物中，没有神经嵴细胞填充咽区，咽缝相对简单;在外胚层和内胚层的接触点上形成穿孔，这些咽节段由内胚层分泌的脱细胞软骨支撑[14］．咽缝有助于过滤水中的食物颗粒;这些是广泛的，覆盖大约30%到50%的动物长度。

在脊椎动物中，这些鳃缝的形成和咽袋的形成之间的同源性可以通过分析文昌鱼在脊椎动物咽袋发育中的关键角色的同源基因的表达来评估。其中最突出的是Pax-Six-Eya调控网络和小鼠突变分析支持一个模型Eya1在上游行动六个咽部内胚层的基因[15，16］．Eya1而且六个蛋白质也已知相互作用，这表明，这些因素积极调节的表达Pax1袋内[15，16］．重要的是，就像在脊椎动物中看到的文昌鱼Pax1/9，Eya，Six1/2而且Six4/5基因均在咽内胚层共表达[17，18］．在脊椎动物中,Tbx1是另一个在推动咽部内胚层出囊过程中起关键作用的基因。该基因表达于咽袋和中胚层的弓状突起中并突变Tbx1导致无法产生后咽袋，在文昌鱼Tbx1/10基因同样表达于咽节段[19］．因此，这些关键咽部基因同源体的表达域为脊椎动物和文昌鱼咽部发育的同源性提供了强有力的证据。

考虑到一系列咽缝的存在是脊索动物的一个典型特征，脊椎动物咽袋和文昌鱼咽穿孔之间的同源性可能是可以预料的。然而，也已经清楚的是，围绕内胚层出囊的咽发育更为古老，这可能是后口动物的特征。几年前就有研究表明，半齿鳃缝也表达Pax1/9基因(20.]以及最近对咽狭缝形成的综合分析Saccoglossus kowalevskii为半足状鳃缝与脊椎动物咽袋之间的同源性提供了进一步的有力证据[21］．在这个物种中，类似地观察到Pax1/9，Eya而且六个表达与内胚层形成鳃孔有关。Tbx1然而，未发现表达与咽内胚层相关。当然，应该指出的是，另一个主要的后口动物分支，棘皮动物，缺乏鳃缝。然而，这是二次损失的结果，古生物学证据表明，最早的棘皮动物是双侧的，并且确实有鳃缝[22］．

脊椎动物咽弓的构造-内胚层对神经嵴的影响

因此，我们可以得出这样的结论:基于内胚层外囊的咽发育是一种原始的后口动物特征，脊椎动物的咽弓就是围绕着这一古老的框架构建的(图3.)．然而，脊椎动物的咽器官与其他脊索动物有显著不同。脊椎动物的咽节段较少，它们局限于嘴后一个相对较小的区域。脊椎动物咽弓也肌肉化，并有神经嵴来源的细胞软骨内骨骼支持。在发育过程中，这些改变可能在于内胚层产生的外囊数量的减少，以及神经嵴和中胚层对咽段的填充，它们分别提供足弓的骨骼和肌肉组织。从进化的角度来看，这些变化可能是由脊椎动物的起源从滤食过渡到更具掠食性的生活方式所驱动的[13］．值得注意的是，穿孔咽的主要功能已经从滤食转变为呼吸。

咽喉的神经嵴来源的软骨内骨骼清楚地将脊椎动物与其他脊索动物区分开来，但同样重要的是要认识到内胚层在指导神经嵴细胞的发育方面起着重要作用。这些细胞形成了一个多能的祖细胞群，将产生非常广泛的衍生物;神经元、神经胶质、黑素细胞、软骨、骨及结缔组织[23］．在头部，迁移的时间与神经嵴细胞随后的命运之间存在相关性[24］．填充咽弓并生成骨骼衍生物的神经嵴细胞是那些从后脑迁移较早的细胞，而那些迁移较晚且不进入咽弓的细胞则停留在大脑附近并形成神经元和神经胶质。然而，早移峰和晚移峰的势没有差异;如果晚迁移的嵴细胞被引导到咽弓，它们将形成骨骼发育衍生物[24］．因此，神经嵴细胞形成咽软骨的分配涉及足弓内的局部线索，特别是来自上皮的线索。相应地，在内胚层无法形成的斑马鱼突变体中，例如好而且中科院，神经嵴源性咽软骨无法形成[25］．研究还表明，成纤维细胞生长因子(FGF)信号在指导神经嵴细胞采用外充质细胞命运和随后形成软骨中起着关键作用[26，27］．因此，脊椎动物咽弓发育和进化的关键是建立内胚层出囊和随后的上皮细胞对填充这些节段的神经嵴细胞命运的影响，以指导它们产生外充质衍生物。

从无颚到有颚的脊椎动物

在脊椎动物中，第一个咽弓演变成下颌;其核心是拱门内的背腹分区。颌口动物的咽骨由独立的背侧和腹侧部分组成，由关节连接，而七鳃鱼的咽骨则由软骨棒组成，这些软骨棒融合在一起形成一个不相连的鳃篮[28，29］．对颌口动物的研究也显示出嵌套Dlx表达在背腹区划分中起着核心作用，这是由内皮素信号调节的[30.］．有趣的是，最近对七鳃鳗的研究表明，背腹区域化的方面也存在于七鳃鳗中。他们表现为背腹受限表达Dlx基因和其他关键转录因子，以及与颌口动物一样，内皮素信号传导对七鳃鳗咽腹侧骨骼很重要，与颌口动物一样[28，29］．因此，颌口颌的进化是建立在先前存在于agnathans中的DV模式程序之上的。

咽异体-超越系型阶段

脊椎动物系统分型阶段的一个决定性特征是咽弓的存在[31]，而在此之前，脊椎动物咽器的发展大致相似，但随后出现了不同的发展路径(图4)．在大多数软骨鱼中，胚胎时期的咽段被保存在外部成体解剖结构中，这可以从鳃缝的排列中得到证明。然而，在放线鳍目鱼类中，鳃并不明显，而是被一个保护鳃的大皮瓣盖住。它的运动有助于将水吸入咽部，因此它在进食和呼吸中起着关键作用。在发育过程中，外翻骨在第二弓内形成，并向后方扩张，覆盖在腮弓上[32］．一些现存的肉鳍类动物，如腔棘鱼和肺鱼，也有盖和鳃，但在四足动物中没有。然而，化石证据表明，在四足动物的茎组中，被盖和鳃是逐步消失的。因此，在Panderichthys它不在贴，虽然这种动物确实有鳃室[33- - - - - -35］．

四足动物进化-后咽段的重塑

随着四足动物的进化，后咽弓作为一个整体经历了实质性的重塑。由于后足弓不再产生鳃芽，主要的呼吸功能转移到肺，足弓数量从7个减少到5个，这是在包括人类在内的羊膜动物中看到的情况。被盖消失的一个后果是咽的后端不再有一个外部开口。这也导致后咽弓内化，因此在成人解剖学中掩盖了咽的异聚起源。然而，四足动物的转变也要求出现新的结构，以促进水外的生命;其中最突出的是甲状旁腺和甲状旁腺激素的进化[35］．鱼类可以从水生环境中吸收钙，但这不是四足动物的选择。因此，必须采取新的控制措施来调节钙稳态。甲状旁腺通过钙敏感受体(CASR)检测血液中钙水平的变化;如果水平较低，它们就会释放甲状旁腺激素(PTH)，其作用是动员骨骼等内部储存的钙释放，并调节肾脏离子运输。然而，最近的发育研究表明，四足动物的进化并不像古生物学或解剖学证据所表明的那样，涉及到对咽的巨大改变。

胚胎学上，甲状旁腺起源于咽囊内胚层，研究表明，甲状旁腺的发育受一种关键调控基因的控制，Gcm2［36- - - - - -38］．Gcm2在哺乳动物和鸟类中，只在甲状旁腺及其胚胎anlagen中表达;当这个基因在老鼠身上发生突变时，甲状旁腺就不会形成了。虽然只有四足动物拥有甲状旁腺，但已经证明Gcm2基因在整个颌口都有发现，在斑马鱼和角鲨中，这种基因也在咽囊及其衍生物，即内鳃芽中表达[39］．对斑马鱼的研究进一步证明了这一点Gcm2需要从咽袋发育出鳃芽。此外，虽然人们普遍认为鱼类不仅缺乏甲状旁腺，而且缺乏甲状旁腺激素，但最近的研究表明，硬骨鱼中也存在编码甲状旁腺激素的基因[39- - - - - -41］．甲状旁腺素已经发现在鳃中表达，就像CASR基因。这些事实清楚地表明，鱼的内鳃和甲状旁腺是具有共同进化起源的相关结构。两者都依赖于Gcm2它们都表达了控制细胞外钙水平的调节装置的关键成分。因此，随着四足动物的进化，鳃并没有消失，而是转化为甲状旁腺[39］．

也有一些理由相信，在四足动物进化过程中，眼盖瓣并没有完全消失，而是作为一个胚胎实体存在，并且在后咽弓的内化中起着重要的作用。尽管在放线鳍目动物中发现的皮肤骨化-如opercle，在羊膜动物中不会在第二弓中形成，但在两组中，第二弓的发育以其不成比例的后部扩张为特征，因此它覆盖在后弓，在后弓在鱼类中形成内鳃或在羊膜动物中形成甲状旁腺(图)2) [3.］．此外，小鸡胚胎和斑马鱼胚胎的第二弓表达相同的一组基因[3.］．特别是尾缘表达嘘，它是许多上皮细胞的增殖驱动因素嘘在这两种物种中，信号是第二弓后部扩张所必需的[3.］．

然而，羊膜动物与硬骨鱼的不同之处在于第二足弓的后缘不保持开放状态。相反，它与心脏隆起融合，导致后弓被封闭在he的颈窦腔内，最终因其壁的平行和融合而消失，形成颈部外表面的光滑轮廓(图2) [2］．这些事件反映了两栖动物变态过程中观察到的情况，最近有研究表明，第二弓尾缘的融合和窦的丧失也需要甲状腺激素信号[3.］．经甲状腺信号拮抗剂处理的鸡胚仅表现为第二弓尾缘与下上皮的部分融合以及窦的扩张和持续。因此，在两栖动物和羊膜动物中，鳃的内化和后外部开口的根除是由甲状腺激素驱动的同源事件。

羊膜动物咽器的发展是一个有趣的过程，因为它的系统发育历史很容易分辨，并且可以发现它的逐步组装。我们可以发现这个程序的后口起源，在内胚层出袋的产生中，围绕着它的其余发展是精心安排的。这种结构发育的另一个关键特征是神经嵴细胞填充这些节段，并随后分化形成咽的内骨骼支持。这方面将与脊椎动物一起进化，并由先前存在的上皮段与多能神经嵴细胞之间的相互作用驱动。在发育阶段之后，羊膜咽被广泛重塑。我们可以在这里看到与硬骨鱼进化相关的事件的回放;后足弓被盖盖，四足动物的进化;鳃的内化和鳃室后开口的闭合。然而，人们发现鱼鳃并没有完全消失;宁愿两者都坚持。 The gills have been transformed into the parathyroid glands of tetrapods and the operculum exists as an embryonic entity, never generating any bony elements. Thus, the development of the pharynx has been profoundly shaped by its evolutionary history.

CASR:

血液中的钙通过钙感应受体

FGF:

成纤维细胞生长因子

甲状旁腺素:

甲状旁腺激素。

我们要感谢Tom Butts、Florent Campo-Paysaa和Robert Knight对这篇综述草案的评论。

作者及隶属关系

1. MRC发育神经生物学中心，伦敦国王学院，伦敦，SE1 1UL，英国

   安东尼·格雷厄姆和乔·理查德森

相应的作者

对应到安东尼·格雷厄姆．

相互竞争的利益

作者宣称他们之间没有利益冲突。

作者的贡献

AG和JR撰写了这篇文章。两位作者都阅读并批准了最终的手稿。

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