所有脊椎動物都有相同的基本身體結(jié)構(gòu)：頭部、脊柱、四個附屬物。當(dāng)然，這些附肢在大小、形狀和功能方面差異很大——從鰭到翅膀、手臂和腿——但一項新的遺傳分析表明，在附肢末端控制發(fā)育的基因有著深厚的進(jìn)化歷史。
在本周發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》上的一項研究中，芝加哥大學(xué)和西班牙安達(dá)盧西亞發(fā)育生物學(xué)中心的研究人員使用基因編輯工具來展示一個基因如何控制末端骨骼的生長。魚鰭在四足動物的手指和腳趾形成過程中起著同樣的作用。同樣的基因也控制著成對鰭(四肢的祖先)和在成對鰭之前進(jìn)化的所有魚類共有的單個未成對背鰭中的這一過程。這表明，近 5 億年前，鰩魚和葉鰭魚之間的最后一個共同祖先已經(jīng)擁有塑造它們的附屬物的遺傳工具包，直到今天，魚類和四足脊椎動物也共享這些附屬物。
“鰭和四肢之間存在著這種深刻的同源性或相似性，這種古老的結(jié)構(gòu)實際上看起來并不相似，”芝加哥大學(xué)羅伯特·R·本斯利解剖學(xué)杰出服務(wù)教授、新論文的合著者尼爾·舒賓博士說。學(xué)習(xí)。“我們展示了一種高度保守、古老且保存完好的基因功能，這種功能在千差萬別的結(jié)構(gòu)中已經(jīng)存在了數(shù)億年。所以，分子工具包很古老，它在不同種類的動物身上做同樣的事情。”
該研究是 Shubin 和已故西班牙的 José Luis Gómez-Skarmeta 合作的延續(xù)，合作始于馬薩諸塞州伍德霍爾的芝加哥大學(xué)附屬海洋生物實驗室。2018 年，他們發(fā)表了一項研究，追蹤了刺猬索尼克 (Shh) 基因的表達(dá)情況，該基因廣泛用于各種基本生物學(xué)功能，但在四肢的形成中尤為重要。在該研究中，他們確定了控制小鼠四肢發(fā)育但分別影響魚背鰭和成對鰭的遺傳增強(qiáng)劑組合。
在這項新研究中，同樣來自安達(dá)盧西亞中心的 Shubin、Gómez-Skarmeta 和 Joaquin Letelier 專注于另一個與Shh一起工作的基因，稱為gli3。眾所周知，這種基因會在四肢中形成數(shù)字圖案，幫助確定從拇指到小指的每個人的身份。gli3突變的人類通常會長出額外的手指，這就是所謂的多指畸形，而在實驗室中敲除gli3 的老鼠也會長出額外的手指。研究人員想看看gli3在魚類中是否也以同樣的方式工作，因此他們使用 CRISPR 基因編輯工具在青鳉中將其敲除，青鳉是一種受歡迎的小型觀賞魚，也被稱為稻魚。該gli3-敲除魚還發(fā)展出多指魚的魚版本，鰭基部有多個放射狀骨骼，鰭條也更多。有趣的是，這發(fā)生在成對的胸鰭和腹鰭(類似于四肢的魚)和未配對的、進(jìn)化上較老的單背鰭中。
對小鼠和雞胚胎的研究表明，gli3參與細(xì)胞增殖過程，這對其在多指畸形中的作用是有意義的;如果敲除基因會導(dǎo)致更多的細(xì)胞在附肢中生長，它也會導(dǎo)致更多的數(shù)字。對魚的進(jìn)一步遺傳分析表明，gli3還參與鰭中的細(xì)胞增殖，這表明物種之間存在很強(qiáng)的進(jìn)化相似性。隨著后來的陸生動物發(fā)展出更先進(jìn)的四肢，gli3承擔(dān)了更專業(yè)的角色來控制它們的形狀和圖案。
“據(jù)推測，自大約 5 億年前以來，所有脊椎動物的附肢中都存在gli3的原始功能，即促進(jìn)增殖，或細(xì)胞數(shù)量，從而促進(jìn)末端骨骼的數(shù)量，”舒斌說過。“當(dāng)成對的鰭出現(xiàn)時，它已經(jīng)存在了，所以gli3被選中并獲得了一個新的角色，即前/后圖案。”
Shubin 說，像 CRISPR 和測序這樣強(qiáng)大的新遺傳工具繼續(xù)讓科學(xué)家們能夠追蹤到更多有趣的線索，比如關(guān)于所有脊椎動物的深層共享歷史。
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