遺傳分析揭示了魚(yú)鰭和脊椎動(dòng)物四肢的共同進(jìn)化史

所有脊椎動(dòng)物都有相同的基本身體結(jié)構(gòu)：頭部、脊柱、四個(gè)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(xiàng)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(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》上的一項(xiàng)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(lái)展示一個(gè)基因如何控制末端骨骼的生長(zhǎng)。魚(yú)鰭在四足動(dòng)物的手指和腳趾形成過(guò)程中起著同樣的作用。同樣的基因也控制著成對(duì)鰭(四肢的祖先)和在成對(duì)鰭之前進(jìn)化的所有魚(yú)類(lèi)共有的單個(gè)未成對(duì)背鰭中的這一過(guò)程。這表明，近 5 億年前，鰩魚(yú)和葉鰭魚(yú)之間的最后一個(gè)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(yú)類(lèi)和四足脊椎動(dòng)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(shí)際上看起來(lái)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(shuō)。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(wàn)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(lèi)的動(dòng)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(shí)驗(yàn)室。2018 年，他們發(fā)表了一項(xiàng)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?hù)~(yú)背鰭和成對(duì)鰭的遺傳增強(qiáng)劑組合。

在這項(xiàng)新研究中，同樣來(lái)自安達(dá)盧西亞中心的 Shubin、Gómez-Skarmeta 和 Joaquin Letelier 專(zhuān)注于另一個(gè)與Shh一起工作的基因，稱(chēng)為gli3。眾所周知，這種基因會(huì)在四肢中形成數(shù)字圖案，幫助確定從拇指到小指的每個(gè)人的身份。gli3突變的人類(lèi)通常會(huì)長(zhǎng)出額外的手指，這就是所謂的多指畸形，而在實(shí)驗(yàn)室中敲除gli3 的老鼠也會(huì)長(zhǎng)出額外的手指。研究人員想看看gli3在魚(yú)類(lèi)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(guān)賞魚(yú)，也被稱(chēng)為稻魚(yú)。該gli3-敲除魚(yú)還發(fā)展出多指魚(yú)的魚(yú)版本，鰭基部有多個(gè)放射狀骨骼，鰭條也更多。有趣的是，這發(fā)生在成對(duì)的胸鰭和腹鰭(類(lèi)似于四肢的魚(yú))和未配對(duì)的、進(jìn)化上較老的單背鰭中。

對(duì)小鼠和雞胚胎的研究表明，gli3參與細(xì)胞增殖過(guò)程，這對(duì)其在多指畸形中的作用是有意義的;如果敲除基因會(huì)導(dǎo)致更多的細(xì)胞在附肢中生長(zhǎng)，它也會(huì)導(dǎo)致更多的數(shù)字。對(duì)魚(yú)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(lái)的陸生動(dòng)物發(fā)展出更先進(jìn)的四肢，gli3承擔(dān)了更專(zhuān)業(yè)的角色來(lái)控制它們的形狀和圖案。

“據(jù)推測(cè)，自大約 5 億年前以來(lái)，所有脊椎動(dòng)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(shuō)過(guò)。“當(dāng)成對(duì)的鰭出現(xiàn)時(shí)，它已經(jīng)存在了，所以gli3被選中并獲得了一個(gè)新的角色，即前/后圖案。”

Shubin 說(shuō)，像 CRISPR 和測(cè)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(xiàn)索，比如關(guān)于所有脊椎動(dòng)物的深層共享歷史。

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