“鴿血紅”寶石，“牛血紅”珊瑚，“血色黃昏”。。。提到血色，一般我們都會(huì)默認(rèn)為某種紅色。盡管許多動(dòng)物都具有血管系統(tǒng)，但不是所有血液都是紅色的，而紅色的血液也不是人類或脊椎動(dòng)物所*的。紅色血液的顏色來自血紅蛋白。血紅蛋白是一種復(fù)雜的蛋白質(zhì)，由屬于多基因家族的球蛋白亞基以各種多聚體形式組合形成，在循環(huán)系統(tǒng)中專門負(fù)責(zé)運(yùn)輸氧氣。以血紅蛋白作為血液色素僅存在于部分動(dòng)物群體——脊椎動(dòng)物，和某些線蟲比如蚯蚓、某些軟體動(dòng)物例如池塘蝸牛、某些甲殼類動(dòng)物如水蚤。血紅蛋白在如此多樣、相距甚遠(yuǎn)的物種中出現(xiàn)，它在進(jìn)化過程中是從何而來？是獨(dú)立發(fā)生后的進(jìn)化，還是各自分別獨(dú)立發(fā)生的？還是到目前為止，尚不清楚來自不同的“兩側(cè)對(duì)稱”物種的血紅蛋白家族是否有共同的起源。

來自 Jacques Monod研究所（CNRS /巴黎大學(xué)），CNRS/Sorbonne 大學(xué)，圣彼得堡大學(xué)（俄羅斯）和里約熱內(nèi)盧大學(xué)的研究人員（巴西）對(duì)帶有紅色血液的小型海洋輪蟲Platynereis dumerilii進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，所有的血紅蛋白實(shí)際上都來自一個(gè)祖先基因，而并非各自“獨(dú)立起源”。結(jié)果發(fā)表在于2020年12月29日的BMC進(jìn)化生物學(xué)。

海洋輪蟲Platynereis dumerilii被認(rèn)為是一種基因進(jìn)化非常緩慢的動(dòng)物，其遺傳特征與大多數(shù)動(dòng)物的海洋祖先Urbilateria相似。通過將Platynereis dumerilii與其他帶有紅血球的物種進(jìn)行比較來研究，有助于追溯血紅蛋白的起源。

研究集中于血紅蛋白所屬的廣泛家族：球蛋白——這是幾乎存在于所有生物中用于“儲(chǔ)存”氧氣和一氧化氮等氣體的蛋白質(zhì)。但是球蛋白通常在細(xì)胞內(nèi)部起作用，因?yàn)樗鼈兤鋵?shí)并不像血紅蛋白那樣在血液中循環(huán)。

Platynereis dumerilii有一個(gè)封閉的“血管系統(tǒng)”，充滿了細(xì)胞外血紅蛋白。Platynereis dumerilii的基因組和轉(zhuǎn)錄組顯示19個(gè)球蛋白家族，其中9個(gè)被認(rèn)為是細(xì)胞外的。細(xì)胞外球蛋白是由專門的細(xì)胞產(chǎn)生的，這些細(xì)胞位于蠕蟲的節(jié)肢的血管內(nèi)，很可能參與了先前表征的特定于環(huán)節(jié)動(dòng)物的巨型血紅蛋白的組裝。在較小的幼蟲中不存在細(xì)胞外球蛋白mRNA，而這mRNA僅在快速生長并較活躍的個(gè)體中出現(xiàn)、積聚，在成蟲中達(dá)到高峰，其過程與對(duì)氧氣的需求一致。

研究人員使用來自完整基因組的數(shù)據(jù)對(duì)球蛋白進(jìn)行了多細(xì)胞動(dòng)物范圍的系統(tǒng)發(fā)育分析。他們確認(rèn)在雙側(cè)對(duì)稱動(dòng)物組的zui 后共同祖先中存在五種球蛋白基因（莖球蛋白）。所有五個(gè)祖先莖珠蛋白進(jìn)化枝都保留在某些螺旋體（spiralians）中，而有些進(jìn)化枝在進(jìn)化中早已消失。所有已知的血液球蛋白家族都來自其中一個(gè)分枝。

研究表明，在所有帶有紅血球的物種中，都是由同一基因——生成“細(xì)胞球蛋白”的基因獨(dú)立進(jìn)化成為成為編碼血紅蛋白的基因的。這種進(jìn)化出來的新分子使氧氣傳輸效率更高，使其生物體變得更大且更活躍。此后各種動(dòng)物中的循環(huán)血紅蛋白趨同地進(jìn)化，大概與動(dòng)物的體型和活動(dòng)有關(guān)。但是，所有血紅蛋白都來自進(jìn)化枝球蛋白clade I，或稱為細(xì)胞球蛋白，參與細(xì)胞內(nèi)氧氣的轉(zhuǎn)運(yùn)和調(diào)節(jié)。環(huán)節(jié)動(dòng)物Platynereis非常特別，具有龐大的胞外血球蛋白家族，同時(shí)保留了球蛋白的所有分支。