本研究由中国科学院海洋研究所、中国海洋大学等多家机构的研究人员合作完成，主要作者包括Shanshan Lian、Wei Wang、Yaoxin Liu等数十位科学家，发表在《Science》杂志上，首次发布于2026年7月23日。研究团队构建了一个涵盖27个物种的成年心脏多组学图谱，旨在揭示动物心脏的起源、进化及环境适应机制。
心脏作为动物界最重要的进化创新之一，其化石证据可追溯至寒武纪早期。节肢动物、软体动物和脊索动物三大后口动物谱系在5亿多年前分化，各自演化出适应其生态位的独特心脏结构。然而，尽管动物心脏在解剖结构和生理功能上表现出惊人的多样性，其背后的细胞和分子基础仍未被充分理解，心脏的深层进化起源以及跨门类的趋同或趋异进化程度也是未解之谜。此前的研究受限于系统发育范围的狭窄，超过95%的动物谱系缺乏研究数据。为解决这一问题，研究团队运用比较基因组学、单细胞转录组学和空间转录组学技术，对来自27个物种的成年心脏进行了全面的细胞结构解析。
研究团队建立了一个跨越27个后口动物物种的多组学资源库，涵盖原口动物（9种）和后口动物（18种），包括从收缩血管到多腔室结构的心脏形态，以及从水生到陆生的多种栖息环境。研究对象的选择具有重要的进化节点意义：原口动物包括果蝇（背血管）、鲎（管状心）、对虾、梭子蟹（管状心）、扇贝、牡蛎、砗磲、蜗牛（二腔心）和章鱼（三腔心）；后口动物包括文昌鱼（收缩血管）、海鞘（管状心）、七鳃鳗、鳐鱼、竹鲨、斑马鱼（二腔心）、肺鱼、蝾螈、爪蟾、壁虎、龟（三腔心）以及鸡、斑胸草雀、小鼠、大鼠、树鼩和人类（四腔心）。
研究的第一个关键环节是器官水平转录组测序，从23个物种中获得了bulk RNA-seq数据。第二个环节是单细胞RNA测序，从14个物种中获得了399,483个细胞的数据，单个物种的细胞数从9,438到60,471不等。第三个环节是空间转录组学，对13个物种的组织切片进行了高分辨率分析，同时进行了心脏空间结构和心肌细胞肌节组织的组织学表征，共获得685,023个空间位点，单个动物心脏的位点数从11,620到77,642不等。为支持更广泛的研究社区，团队还建立了在线数据库HEART（heart evolution atlas: a repertoire across tree-of-life），整合了多物种的单细胞和空间转录组数据。
在生物信息学分析方面，研究团队采用了多项标准化的分析流程。首先改进了7个非模式物种的基因组注释，进行了层次化的直系同源推断，共鉴定出21,473个基因家族。通过将转录组数据交叉比对，获得了15,577个心脏相关基因家族。对于单细胞测序数据，使用标准化流程处理，包括质控、双细胞去除（DoubletFinder）、Seurat标准化、Harmony批次效应校正、UMAP降维和聚类分析。空间转录组数据采用Stereo-seq平台生成，使用SAW工作流进行读段映射和空间基因表达矩阵构建。为了进行跨物种比较，团队采用了SATURN工具进行整合分析，利用ESM2b模型生成蛋白嵌入，指定了2000个宏基因和8000个高变基因。此外，还进行了转录组年龄指数（TAI）分析，使用phylostratigraphic方法估计基因年龄，通过myTAI包计算器官和细胞水平的转录组年龄。
通过跨物种比较分析，研究团队发现了一个引人注目的现象：尽管心脏结构存在显著差异，但原口动物和后口动物之间共享的基因素材远超预期。具体而言，在15,577个心脏相关基因家族中，3,456个（22.18%，coreBA1）和6,367个（40.9%，coreBA2）家族在主要类群间共享，总计超过60%的心脏基因家族在两大分支间保守存在。这一结果表明，这些基因是从一个祖先“原始心脏”（proto-heart）继承下来的，揭示了贯穿后口动物心脏进化的基本遗传蓝图。
除了保守的遗传核心外，研究还鉴定出了谱系特异性的“附加”（add-on）基因家族：原口动物中有3,086个（corePT），后口动物中有2,668个（coreDT）。值得注意的是，脊索动物表现出一种间断的、跳跃式的遗传积累模式，这与全基因组复制事件特别是前两轮全基因组复制事件高度相关，这些复制驱动了新基因家族的出现和遗传复杂性的快速增加。在基础脊索动物中获得的关键发育调控因子如Mesp/Msgn和Tgfbr2，标志着关键转录因子和信号通路的整合，凸显了脊索动物心脏形成中的关键遗传转变。
通过转录组年龄指数分析，研究团队揭示了后口动物心脏的深层进化史。在节肢动物、软体动物和脊索动物三大类群中，均观察到在phylostratum 6（PS6）处的显著峰值，其中87%-95%的贡献基因属于coreBA1/2簇。这一发现揭示了后口动物心脏原型中迅速建立的核心遗传“工具箱”。功能富集分析突出了关键的心脏发生过程，包括线粒体呼吸、血管发育和心室心肌组织形态发生。在PS6处，研究还观察到Dgcr2基因的存在，该基因位于人类基因组22q11.2位点，与22q11.2缺失综合征患者的主要先天性心脏病相关，提示其致病机制可追溯至祖先“原始心脏”。
在后续的进化中，各大谱系出现了不同的基因积累高峰：节肢动物在PS9-PS10、软体动物在PS8和PS10-PS11、脊索动物在PS9。在脊索动物中，PS9处高TAI贡献的基因富集于心脏过程相关功能，包括GPCR信号、神经肽信号、对激素的响应、心率调节、收缩和化学突触传递。值得注意的是，脊索动物中89%的PS9基因属于后口动物特异性的coreDT簇。这些发现表明了一个从简单收缩管到信号响应、自我调节器官的功能转变。
研究鉴定出11种主要细胞类型，其中心肌细胞（CMs，363,318个，16/16物种）、内皮细胞（EDCs，261,580个，16/16物种）、成纤维细胞（FBs，161,460个，16/16物种）和神经细胞（NCs，21,564个，16/16物种）在所有物种中一致检测到，提示它们在后口动物“原始心脏”进化中的早期出现。通过整合16个物种的479,483个细胞（使用SATURN工具），研究发现心肌细胞在原口动物和后口动物间保守存在，而内皮细胞、成纤维细胞和平滑肌细胞在脊椎动物中广泛存在，表明了原口动物和后口动物心脏细胞谱系的进化分歧。
通过加权基因共表达网络分析（WGCNA），研究鉴定出97个心肌细胞特异性和92个成纤维细胞特异性的核心基因及其蛋白互作模块。在97个心肌细胞特异性基因中，线粒体相关基因显著富集（31/97个），形成了最高等级的蛋白互作模块，强调了线粒体ATP产生对于维持收缩的关键作用。肌节相关基因也富集，包括心肌肌球蛋白、titin、肌球蛋白结合蛋白、troponin、tropomyosin和actin。值得注意的是，心脏肌钙蛋白T（tnnt）在15/16个物种的心肌细胞中高表达（文昌鱼除外），而肌钙蛋白C（tnnc）的表达则通常局限于后口动物。
通过对12个物种的空间转录组数据进行分析，研究揭示了六个保守的心肌细胞簇（CM1-6），具有不同的腔室定位：泛心脏（CM1/2）、心房（CM3/4）和心室（CM5/6）。这些簇表现出功能二分法：CM1/3/5表达经典的收缩和代谢基因（如myl、tnnt），而CM2/4/6富集离子转运和收缩调控基因（如Cacna1c、Ryr2、Ldb3、Rbm20）。研究选择Cacna1c和Ryr2作为标记物，通过荧光原位杂交（FISH）验证，观察到这两种基因的转录本在心肌细胞亚群的细胞核中显著聚集。由于转录本通常被输出到细胞质进行翻译，研究推测这种转录本在细胞核中的异常聚集可能是调节蛋白合成的瞬时状态。因此，研究将CM2/4/6定义为瞬时（Trans.）心肌细胞状态，将CM1/3/5定义为组成性（Const.）心肌细胞状态。
在所有12个物种中均检测到瞬时心肌细胞的存在，占所有心肌细胞的1.7%到33.7%，在原口动物和后口动物中的平均比例均约为22%。功能分析鉴定出五个MCODE基因网络簇，其中MCODE3基因网络高度富集瞬时心肌细胞的标记基因，为其独特的分子身份提供了独立的网络验证。
研究通过整合来自14个物种的空间组学数据和来自17个物种的腔室特异性bulk RNA-seq数据，鉴定出78个心房特异性和124个心室特异性基因，这些基因在原口动物和后口动物间保守存在。主成分分析揭示了20个驱动心房-心室分离的关键基因：10个心房富集（包括Aldh1a2、Pitx、Flrt2）和10个心室富集（包括Myo18、Ldb、Prdm16/Mecom、Cacna1c）。重要的是，尽管这些保守标签基因仅占心脏表达基因的不到0.1%，但它们构成了一个高度保守的分子核心，提示心房-心室特征可能在原口动物-后口动物分化之前就已经在后口动物“原始心脏”中形成了模式。
通过TAI分析，心室基因始终表现出比心房基因更低的TAI值，表明其更古老的起源。进一步的相似性分析显示，在脊索动物中，海鞘心肌细胞与七鳃鳗心室心肌细胞的相关性（r=0.58）高于与心房心肌细胞的相关性（r=0.39）；在原口动物中，果蝇心肌细胞与蜗牛心室心肌细胞的相关性（r=0.55）高于与心房心肌细胞的相关性（r=0.22）。这一心室偏好特异性存在于心肌细胞中，在成纤维细胞和内皮细胞中未观察到。基于这些证据，研究提出：心脏在腔室分隔之前主要由具有心室身份的心肌细胞组成，心房是通过心室样心肌细胞的进一步分化、加上来自更多样化祖细胞来源的非心肌细胞的整合和形态重排而在进化后期出现的。
本研究得出以下重要结论：第一，动物心脏共享超过60%的基因家族和一个保守的细胞基础，某些心房和心室特征在原口动物和后口动物中均有继承，提示其起源可追溯至最后的共同后口动物祖先。这一点与寒武纪节肢动物抚仙湖虫（Fuxianhuia protensa）的化石证据一致。显著的遗传共性表明后口动物心脏不太可能通过类似基因调控网络的平行共选择而独立进化。第二，心脏结构的多样性反映了谱系特异性的遗传创新、灵活的细胞类型组合以及不同细胞类型间的分子功能适应，共同解释了心脏对不同环境的适应。第三，利用空间转录组学的优势，研究鉴定出一个过渡性的心肌细胞状态——瞬时心肌细胞（CMs Trans.）。这些细胞在胚胎心脏和成体心脏中均有存在，在缺氧和心肌梗死条件下其比例增加，提示其可能与心脏发育和心肌应激相关，且组织氧浓度可能是驱动其动态变化的重要因素。第四，证据表明祖先“原始心脏”主要由心室样心肌细胞组成，支持心脏进化起源于代表心肌细胞原始形式的收缩肌细胞的假说。
本研究的科学价值在于提供了一个全面的多组学资源，首次系统性地揭示了后口动物心脏进化的分子和细胞机制。这一资源使得研究者能够在分子、细胞和器官水平上探索心脏的起源和进化。此外，研究建立的开放数据库为心脏研究社区提供了宝贵的数据共享平台。在应用价值方面，研究鉴定出了一些进化保守的基因和调控网络，包括与人类先天性心脏病相关的Dgcr2基因和Aplnr受体（一种心血管疾病有前景的治疗靶点），这些发现可能为心脏疾病的机制研究和治疗策略开发提供新的方向。
本研究的核心亮点包括：第一，在研究对象上，首次纳入此前被忽视的节肢动物和软体动物类群，以及两种原索动物（文昌鱼和海鞘），实现了真正跨越广泛进化尺度的比较分析。第二，在研究方法上，整合了比较基因组学、bulk RNA-seq、单细胞RNA-seq和空间转录组学等多种组学技术，实现了从基因到细胞再到器官的多层次解析。第三，在研究发现上，鉴定出一个进化保守的瞬时心肌细胞状态，这一发现为理解心肌细胞的可塑性和应激响应提供了新的视角。第四，研究揭示了心室特征在进化上的优先性，挑战了传统关于心脏腔室演化的观点，为心脏形态进化的深层机制提供了新的解释框架。