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斑馬魚身上暗藏著從鳍到四肢的進化步驟
2021-02-09 15:25:19  来源:《细胞》

通过调整单个基因,哈佛大学的科学家改造了斑马鱼,使其开始形成类似四肢的附肢。研究人员在筛选各种基因突变及其对鱼类发育的影响时,偶然发现了这种突变,这可能为弄清脊椎动物从海洋到陆地的转变提供线索。该论文2月5日刊登于Cell Press细胞出版社旗下期刊《细胞》(Cell)上,标志着人们在理解从鳍到肢的进化以及简单基因改变如何在复杂结构发展中创造巨大飞跃迈出了一步。

该研究的第一作者M. Brent Hawkins说:“仅仅一个突变就能产生全新的骨骼和关节,这有点难以置信。在30000种硬骨鱼类中,没有一种鱼有这种变异,所以发现这样的变异真的让我们大吃一惊。”Hawkins最近获得了哈佛大学有机体和进化生物学博士学位。

Hawkins和同事發現的變異導致了斑馬魚胸鳍骨骼的“近端放射狀骨”的變化,它附著在魚的肩關節上,類似于人類手臂連接到肩膀上的方式。但與人類和其他四足動物不同的是,斑馬魚沒有手臂和手指那樣的骨骼。但有了這種突變,一組新的被稱爲“中間桡骨”的長骨得以發育,並能夠與現有的近端桡骨關節相連,形成一個類似肘關節的關節。

哈佛大学医学院遗传学副教授、波士顿儿童医院骨科的Matthew Harris是该研究的资深作者,他表示,“在这个突变中,鱼获得了新的骨骼、关节和肌肉附件,这些都是一次性完成的。不需要肌肉、关节和骨骼基因发生突变,这个系统是协调一致的,无论我们做出什么改变,它都能够把所有事情协调起来。”

遺傳分析顯示,vav2和waslb這兩個基因中的任何一個突變都可以獨立導致這種發育變化。這兩個基因此前都被認爲與骨骼發育無關,但該項研究分析顯示,它們都激活了發育調控肢體中部的Hox(同源異型)機制(1)。“通過這些斑馬魚,我們實際上能夠證明這些突變激活了通常認爲只在四肢中發生的發育機制。”Harris說,“所以我們不僅擁有了之前從未在硬骨魚見過的形態,而且還開啓了它們的祖先模式,這些模式被認爲只與肢體相關。”

四肢被認爲是一個關鍵的進化創新,它使脊椎動物能夠在陸地上行走,而鳥類和蝙蝠則能飛。這些結果表明,這群之前被認爲進化出四肢必需的機制已經失去或靜默的魚,實際上還保留了形成這些結構的先天能力。Hawkins說:“通過研究,我們發現了鳍和四肢之間意想不到的共性,我認爲還有更多的相似之處有待發現。”

盡管有這些發現,新骨骼是否改變了斑馬魚胸鳍的功能仍然是一個問題。下一步研究人員將結合精准視頻顯微鏡確定這些新骨骼的關節是否足以影響斑馬魚的移動方式。Hawkins說:“通常情況下,這些結構不具備在陸地上移動所需的關節。但如果我們把這種變異放在一個平台上,看看它們是否能調整,這將是非常有趣的。”

隨著這些突變被發現,研究人員對脊椎動物如何在陸地上邁出第一步以及讓其成爲現實所必需的遺傳和發育機制等問題有了新思路。Hawkins說:“雖然這不是故事的全部,但我們看到一個窗口,讓我們解開一個謎:鳍如何進化到現代肢體。”

“對我來說,這些突變能告訴我們動物發展和形成複雜結構的能力。這很好地提醒了我們,不是所有的‘怪物’都可怕。如果你仔細觀察,有時候它們能告訴你很多關于它們自己的事情。”Harris說。

 


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