Comparative transcriptomic analysis of non-model fishes identifies spinal neuronal correlates of divergent locomotor strategies

Abstract

Locomotor behaviors have diversified extensively during vertebrate evolution, yet how conserved spinal cord developmental programs are adjusted to generate species-specific locomotor strategies remains unclear. Here, comparative single-cell RNA sequencing and Stereo-seq spatial transcriptomics were performed on the spinal cord of two non-model actinopterygian fishes with contrasting locomotor strategies—the body- undulating Siberian sturgeon (Acipenser baerii) and the fin-propelled big-belly seahorse (Hippocampus abdominalis)—and compared with a published mouse spinal cord reference and a re-analyzed zebrafish dataset to examine how conserved cardinal neuronal subtypes are remodeled in association with divergent locomotor modes. Cross-species cell-type matching showed that cardinal spinal neuronal subtypes are broadly conserved between actinopterygian fishes and mammals, whereas species-specific divergence was concentrated in subtype abundance and spatial distribution. The sturgeon spinal cord showed a marked depletion of ventral motor- associated populations, consistent with reduced initial neuronal production and subsequent postmitotic depletion, together with little to no detectable Raldh2 expression. In contrast, the seahorse dorsal fin level exhibited substantial expansion of motor neurons and ventral interneurons. Motor neuron subclustering identified three molecularly distinct subtypes—axial MN-like, fin MN-like, and PGC-like populations—that correspond to the mammalian MMC, LMC, and PGC programs. The Foxp1- centered LMC-like transcriptional core, including Hox6/Hox10-associated regional signatures, was deployed at both the pectoral and dorsal fin levels in seahorse, whereas Raldh2 expression—required for retinoic acid– mediated specification of LMC-lateral identity in tetrapods—remained restricted to the pectoral fin level. This dissociation suggests that the LMC-like program is a partially decomposable molecular module: its Foxp1- centered appendicular core can be redeployed across paired and unpaired anatomical contexts, while Raldh2- dependent LMC-lateral specification remains more strictly associated with paired appendage systems. Cross-species positional analysis further revealed that Hox-based regional programs in motor neurons and V2a interneurons align with mouse forelimb-versus-hindlimb signatures, whereas non-Hox positional genes showed weak cross-species concordance. This indicates a hierarchical organization of evolutionary constraint, with strong conservation of the Hox framework and lineage-specific divergence of downstream effector programs. Together, these findings reveal that the vertebrate spinal cord retains a deeply conserved cell-type identity architecture while permitting species-specific adjustment along three orthogonal axes: quantitative remodeling of neuronal composition, modular redeployment of subtype identity programs beyond their canonical anatomical contexts, and divergence of downstream effector programs within a stable Hox-based framework. This supports a developmental tuning model in which vertebrate locomotor evolution proceeds not primarily through the invention of novel spinal neuron classes, but through coordinated modulation of conserved cardinal subtypes. Keywords: comparative transcriptomics, single-cell RNA sequencing, spatial transcriptomics, spinal cord, locomotion.|척추동물의 운동 행동은 진화 과정에서 매우 다양하게 분화되어 왔지만, 보존된 척수 발달 프로그램이 어떻게 조정되어 종 특이적인 운동 전략을 형성하는지는 아직 명확히 밝혀지지 않았다. 본 연구에서는 서로 다른 운동 전략을 보이는 두 비모델 조기어류인, 몸통의 파동 운동을 통해 유영하는 시베리아 철갑상어(Acipenser baerii)와 몸통을 비교적 고정한 채 지느러미 운동에 의존하는 빅벨리 해마(Hippocampus abdominalis)의 척수를 대상으로 단일세포 RNA 시퀀싱과 Stereo-seq 기반 공간 전사체 분석을 수행하였다. 또한 공개된 마우스 척수 참조 데이터와 재분석한 제브라피쉬 데이터를 함께 비교함으로써, 보존된 척수 신경세포 아형들이 서로 다른 운동 방식에 따라 어떻게 재구성되는지를 분석하였다. 종간 세포 유형 매칭 분석 결과, 마우스에서 정의된 주요 척수 신경세포 아형들은 조기어류와 포유류 사이에서 전반적으로 보존되어 있었다. 반면 종 특이적인 차이는 새로운 신경세포 유형의 출현보다는 각 아형의 상대적 비율과 공간적 분포의 변화에 집중되어 있었다. 철갑상어 척수에서는 운동과 관련된 복측 신경세포 집단이 현저히 감소되어 있었으며, 이는 초기 신경세포 생성 감소와 이후 postmitotic 단계에서의 세포 집단 감소 가능성과 연관되어 있었다. 또한 철갑상어에서는 Raldh2 발현이 거의 검출되지 않았다. 반대로 해마의 등지느러미 수준 척수에서는 운동신경세포와 복측 인터뉴런 집단이 뚜렷하게 확장되어 있었다. 운동신경세포를 세부적으로 재분류한 결과, 축성 운동신경세포 유사 아형(axial MN-like), 지느러미 운동신경세포 유사 아형(fin MN-like), 그리고 PGC 유사 아형(PGC-like)의 세 가지 분자적으로 구분되는 집단이 확인되었으며, 이들은 각각 포유류의 MMC, LMC, PGC 프로그램에 대응되었다. 특히 Foxp1 중심의 LMC 유사 전사체 프로그램은 해마의 가슴지느러미뿐만 아니라 등지느러미 수준의 운동신경세포에서도 나타났으나, 사지형 척추동물의 LMC-lateral identity 형성에 관여하는 Raldh2 발현은 가슴지느러미 수준에만 제한적으로 관찰되었다. 이러한 결과는 Foxp1 중심의 부속지형 운동신경세포 프로그램이 서로 다른 지느러미 운동계에서 재배치될 수 있는 반면, Raldh2 의존적 프로그램은 보다 제한적으로 paired appendage-associated system과 연관되어 있음을 시사한다. 추가적인 종간 위치성 분석에서는 운동신경세포와 V2a 인터뉴런의 Hox 기반 전후축 지역성 프로그램이 마우스의 앞다리와 뒷다리 수준에서 관찰되는 전사체 특징과 대응되는 반면, non-Hox 위치성 유전자들은 종간 일치성이 상대적으로 약한 것으로 나타났다. 이는 척수 지역성 프로그램이 Hox 기반의 안정적인 상위 조절 체계와, 계통 특이적으로 변화하는 하위 실행 유전자 프로그램으로 구성된 계층적 구조를 가진다는 점을 보여준다. 종합하면, 본 연구는 척추동물 척수가 깊이 보존된 세포 유형 정체성 체계를 유지하면서도, 종 특이적인 운동 전략에 맞추어 세 가지 축에서 조정될 수 있음을 보여준다. 첫째, 신경세포 조성의 양적 재구성, 둘째, 기존 아형 정체성 프로그램의 새로운 해부학적 맥락으로의 재배치, 셋째, 안정적인 Hox 기반 틀 안에서의 하위 실행 프로그램의 분화가 그것이다. 이러한 결과는 척추동물의 운동 진화가 완전히 새로운 척수 신경세포 유형의 발명보다는, 보존된 cardinal 신경세포 아형들의 조정과 재배치를 통해 이루어진다는 발달 조율 모델을 제시한다.