兩棲動物作為脊椎動物從水生到陸生演化的過渡類群，其個體生活史包含了水生和陸生兩個生活階段。在從水棲幼體變態發育至陸棲成體的過程中，兩棲動物的諸多器官系統都發生了重構。例如，運動器官由尾轉變為四肢以適應陸地的運動方式，呼吸器官由鰓轉變為肺以適應陸地空氣呼吸方式，消化系統發生重構以適應食性的轉變，神經系統發生重構以適應復雜多變的陸生環境。其中，由鰓到肺的轉變過程重演了脊椎動物呼吸器官演化的關鍵步驟。因此，系統地研究兩棲動物變態發育過程中呼吸器官的轉變，對于解析脊椎動物呼吸器官的演化至關重要。盡管目前對于兩棲動物呼吸器官的研究已有一定基礎，但仍有一些關鍵的科學問題亟待解決。例如，兩棲動物在登陸的關鍵時間節點如何同步調控鰓的吸收和肺的功能建成？在鰓吸收的過程中，凋亡的組織細胞去向何處？肺是如何在短時間內實現形態和功能的建成以適應陸地生活方式的？這些問題的解答將進一步深化我們對脊椎動物呼吸器官演化的理解。
為解決以上科學問題，中國科學院成都生物研究所江建平研究員團隊以飾紋姬蛙為研究對象綜合采用組織切片、透射電鏡、熒光原位雜交、轉錄組和單細胞轉錄組等方法技術，通過整合分析多維數據，對飾紋姬蛙變態發育中呼吸器官轉變的細胞分子機制進行了深入的探究。
研究結果顯示,飾紋姬蛙鰓和肺中甲狀腺激素受體TR-β基因的表達水平均在登陸的關鍵時間節點（變態高峰期S44）達到峰值（圖1）。甲狀腺激素是誘導兩棲動物變態發育的關鍵激素。甲狀腺激素與其受體TR結合，能夠誘導兩棲動物在形態、組織和器官水平發生廣泛重塑。因此，在變態高峰期，甲狀腺激素信號通路在飾紋姬蛙鰓和肺的同步激活調控了鰓的吸收和肺的功能建成。
圖1 變態發育過程中甲狀腺激素受體TR-β在鰓和肺中的表達模式
進一步研究發現，在變態高峰期飾紋姬蛙的鰓細胞發生凋亡，代謝底物（糖，脂和氨基酸）增加，然而能量生成和蛋白質轉換能力卻減弱（圖2）。這表明，隨著鰓細胞的凋亡，產生的代謝底物并不用于鰓自身的生命活動。與此同時，底物運輸能力在這一時期增強，提示這些代謝底物可能被運輸至其他組織或器官，為其重構提供必要的能量和物質。
圖2 變態發育過程中鰓的物質能量代謝模式
單細胞轉錄組分析表明（圖3），在登陸的關鍵時間節點，飾紋姬蛙的肺能夠快速實現形態和功能的建成，主要依靠以下兩個關鍵步驟：1.肺間充質干細胞分化為基質成纖維細胞、肌肉成纖維細胞、平滑肌細胞和軟骨細胞，為肺的形態建成搭建框架，并為其功能建成提供了細胞微環境；2. 肺上皮細胞（包括肺泡上皮細胞、非AEC上皮細胞、神經內分泌細胞、離子細胞和纖毛細胞）的時序性分子表達模式發生轉變，增強了肺泡氣體交換、抗氧化和免疫等功能，從而促進了對陸地呼吸方式的適應。
圖3 單細胞轉錄組構建飾紋姬蛙肺的單細胞圖譜
通過比較非洲爪蟾（終生水生）、飾紋姬蛙（水陸生活史分明）、小鼠和人的肺單細胞圖譜，我們構建了跨物種的肺細胞映射關系（圖4）。結果發現，盡管非洲爪蟾和飾紋姬蛙生活在不同環境中，其肺細胞圖譜呈現出高度相關性。有趣的是，我們發現在飾紋姬蛙和哺乳動物的肺部存在兩種內皮細胞類型，而在非洲爪蟾和肺魚中僅發現一種。此外，我們還發現兩棲動物的肺中僅有一種肺泡上皮細胞，而羊膜動物中均有兩種肺泡上皮細胞。兩棲動物的一種肺泡上皮細胞兼具了羊膜動物兩種肺泡上皮細胞的特征和功能，這提示脊椎動物在從水到陸演化的過程中逐漸特化出不同類型的肺泡上皮細胞，這可能是對復雜陸地生活的進一步適應。這些結果支持了脊椎動物器官演化主要由細胞而非組織驅動的理論。
圖4 跨物種肺單細胞圖譜的映射關系
以上兩項成果于近期分別以“What frog gill resorption brings: loss of function,cell death,and metabolic reorganization”和“Single cell RNA analysis uncovers the cell differentiation and functionalization for air breathing of frog lung”為題發表在動物學一區期刊《Frontiers in Zoology》和Nature旗下一區Top期刊《Communications Biology》上，其中后者被Communications Biology編輯評選為Featured article。中國科學院成都生物研究所常利明博士為兩篇論文的第一作者，江建平研究員和朱未博士為兩篇論文的通訊作者，齊銀研究員等攻關團隊成員對該項研究工作進行了指導。相關研究工作得到中國科學院重點部署項目、國家自然科學基金、四川省科技廳自然科學基金、中國博士后科學基金項目、中國科學院成都研究所攻關團隊項目的聯合資助。