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遗传分析揭示了鱼鳍和脊椎动物四肢的共同进化史

导读所有脊椎动物都有相同的基本身体结构:头部、脊柱、四个附属物。当然,这些附肢在大小、形状和功能方面差异很大——从鳍到翅膀、手臂和腿—

所有脊椎动物都有相同的基本身体结构:头部、脊柱、四个附属物。当然,这些附肢在大小、形状和功能方面差异很大——从鳍到翅膀、手臂和腿——但一项新的遗传分析表明,在附肢末端控制发育的基因有着深厚的进化历史。

在本周发表在《美国国家科学院院刊》上的一项研究中,芝加哥大学和西班牙安达卢西亚发育生物学中心的研究人员使用基因编辑工具来展示一个基因如何控制末端骨骼的生长。鱼鳍在四足动物的手指和脚趾形成过程中起着同样的作用。同样的基因也控制着成对鳍(四肢的祖先)和在成对鳍之前进化的所有鱼类共有的单个未成对背鳍中的这一过程。这表明,近 5 亿年前,鳐鱼和叶鳍鱼之间的最后一个共同祖先已经拥有塑造它们的附属物的遗传工具包,直到今天,鱼类和四足脊椎动物也共享这些附属物。

“鳍和四肢之间存在着这种深刻的同源性或相似性,这种古老的结构实际上看起来并不相似,”芝加哥大学罗伯特·R·本斯利解剖学杰出服务教授、新论文的合著者尼尔·舒宾博士说。学习。“我们展示了一种高度保守、古老且保存完好的基因功能,这种功能在千差万别的结构中已经存在了数亿年。所以,分子工具包很古老,它在不同种类的动物身上做同样的事情。”

该研究是 Shubin 和已故西班牙的 José Luis Gómez-Skarmeta 合作的延续,合作始于马萨诸塞州伍德霍尔的芝加哥大学附属海洋生物实验室。2018 年,他们发表了一项研究,追踪了刺猬索尼克 (Shh) 基因的表达情况,该基因广泛用于各种基本生物学功能,但在四肢的形成中尤为重要。在该研究中,他们确定了控制小鼠四肢发育但分别影响鱼背鳍和成对鳍的遗传增强剂组合。

在这项新研究中,同样来自安达卢西亚中心的 Shubin、Gómez-Skarmeta 和 Joaquin Letelier 专注于另一个与Shh一起工作的基因,称为gli3。众所周知,这种基因会在四肢中形成数字图案,帮助确定从拇指到小指的每个人的身份。gli3突变的人类通常会长出额外的手指,这就是所谓的多指畸形,而在实验室中敲除gli3 的老鼠也会长出额外的手指。研究人员想看看gli3在鱼类中是否也以同样的方式工作,因此他们使用 CRISPR 基因编辑工具在青鳉中将其敲除,青鳉是一种受欢迎的小型观赏鱼,也被称为稻鱼。该gli3-敲除鱼还发展出多指鱼的鱼版本,鳍基部有多个放射状骨骼,鳍条也更多。有趣的是,这发生在成对的胸鳍和腹鳍(类似于四肢的鱼)和未配对的、进化上较老的单背鳍中。

对小鼠和鸡胚胎的研究表明,gli3参与细胞增殖过程,这对其在多指畸形中的作用是有意义的;如果敲除基因会导致更多的细胞在附肢中生长,它也会导致更多的数字。对鱼的进一步遗传分析表明,gli3还参与鳍中的细胞增殖,这表明物种之间存在很强的进化相似性。随着后来的陆生动物发展出更先进的四肢,gli3承担了更专业的角色来控制它们的形状和图案。

“据推测,自大约 5 亿年前以来,所有脊椎动物的附肢中都存在gli3的原始功能,即促进增殖,或细胞数量,从而促进末端骨骼的数量,”舒斌说过。“当成对的鳍出现时,它已经存在了,所以gli3被选中并获得了一个新的角色,即前/后图案。”

Shubin 说,像 CRISPR 和测序这样强大的新遗传工具继续让科学家们能够追踪到更多有趣的线索,比如关于所有脊椎动物的深层共享历史。

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