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    斑马鱼从鳍到四肢有隐藏的进化步骤

    发布日期:2021-02-19 11:03 生物论文

    哈佛大学的科学家通过调整单个基因,改造了斑马鱼,使其开始形成四肢状的附属物。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,这可能为理解脊椎动物从海洋向陆地的过渡提供了线索。发表在Cell Press Cell出版社的期刊《细胞》 (Cell)上,标志着人们在理解从鳍到肢的进化以及简单的基因变化如何在复杂结构的发展中创造出巨大的飞跃方面向前迈出了一步。

    米(meter的缩写))该研究的第一作者布伦特霍金斯说:“仅仅一个突变就能产生全新的骨骼和关节,这有点令人难以置信。在三万种硬骨鱼中,没有一种鱼有这种变异,所以发现这样的变异真的让我们很惊讶。”霍金斯最近获得了哈佛大学的有机和进化生物学博士学位。

    霍金斯及其同事发现的这种变异导致了斑马鱼胸鳍骨“近端桡骨”的变化,它附着在鱼的肩关节上,类似于人类手臂与肩膀的连接方式。但是与人类和其他四足动物不同,斑马鱼没有像胳膊和手指一样的骨头。然而,随着这种突变,一组新的称为“桡骨中段”的长骨发展起来,并可以与现有的桡骨近端关节连接,形成类似肘关节的关节。

    哈佛医学院遗传学副教授、波士顿儿童医院骨科研究的资深作者马修哈里斯(Matthew Harris)说:“在这种突变中,鱼获得了新的骨骼、关节和肌肉附着,这些都是一次完成的。肌肉、关节、骨骼基因不需要突变。这个系统是协调的,不管我们做什么改变,它都能协调一切。”

    遗传分析表明,vav2和waslb基因的任何突变都可能独立地导致这种发育变化。这两个基因以前被认为与骨骼发育无关,但本研究的分析表明,它们都激活了肢体中部发育调节的Hox(同源)机制(1)。“通过这些斑马鱼,我们实际上可以证明这些突变激活了通常被认为只发生在四肢的发育机制。”哈里斯说,“所以我们不仅拥有在硬骨鱼身上从未见过的形状,而且还打开了它们祖先的图案,这些图案被认为只与四肢有关。”

    四肢被认为是一种关键的进化创新,它使脊椎动物能够在陆地上行走,而鸟类和蝙蝠可以飞翔。这些结果表明,这组鱼,以前被认为已经失去或沉默了肢体进化所必需的机制,实际上保留了形成这些结构的先天能力。霍金斯说:“通过研究,我们发现了鳍和四肢意想不到的相似之处,我认为还有更多相似之处有待发现。”

    尽管有这些发现,新骨是否改变斑马鱼胸鳍的功能仍然是个问题。接下来,研究人员将结合精确的视频显微镜来确定这些新骨骼的关节是否足以影响斑马鱼的运动。霍金斯说:“通常,这些结构没有在陆地上移动所需的关节。但如果我们把这种变异放到一个平台上,看看是否可以调整,那就很有意思了。”

    随着这些突变的发现,研究人员对脊椎动物如何在陆地上迈出第一步以及它们成为现实所需的遗传和发育机制有了新的想法。霍金斯说:“虽然这不是全部,但我们看到了一扇窗户,让我们解开一个谜:鳍是如何进化成现代四肢的。”

    “对我来说,这些突变可以告诉我们动物发展和形成复杂结构的能力。这是一个很好的提醒,并不是所有的怪物都是可怕的。如果你仔细看,有时他们可以告诉你很多关于他们自己的事情。”哈里斯说。(生物谷


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