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Nature:美科学家揭示基因突变让鱼鳍演化成手指脚趾

摘要 : 2016年8月17日,国际学术权威刊物自然出版集团《Nature》杂志上在线发表了美国芝加哥大学Neil Shubin教授的一项研究发现,研究表示陆生动物的脚趾的确源自鱼类祖先的鱼鳍。

 2016年8月17日,国际学术权威刊物自然出版集团《Nature》杂志上在线发表了美国芝加哥大学Neil Shubin教授的一项研究发现,研究表示陆生动物的脚趾的确源自鱼类祖先的鱼鳍。

从海洋到大陆,是我们的祖先在进化史上最伟大的壮举之一,然而深入研究及理解这一过程并非易事。最新研究发现,敲除了斑马鱼中参与鱼鳍形成的相关基因后,鱼鳍的生长受限,鱼鳍中软骨增加 ;而人体中的同种基因家族对于手指脚趾的生长至关重要。这暗示人体及四足动物手指脚趾可能是由鱼鳍进化而来。

起初科学家们认为鱼鳍与手指脚趾间并不必然有进化关系。经过三年的细心实验,采用新型的基因编辑技术和高灵敏度的细胞追踪技术,研究人员发现了鱼鳍端部软骨与适合在陆地生存的手指脚趾间确有关系。

Neil Shubin教授说:“当第一次看到这些结果,我大吃一惊。多年来,科学家们一直坚信这两者毫无瓜葛,因为它们十分不同,手指脚趾的骨头最初由软骨形成,而鱼鳍则是在简单的结缔组织中形成。我们的结果挑战了这一想法。现在,我们需要对很多东西重新思考。”

为了搞清楚鱼鳍与手指脚趾之间的关系,研究人员主要针对典型的鱼类模式物种——斑马鱼展开了研究。借助基因编辑技术 CRISPR/Cas,他们在斑马鱼中敲除了与体肢建立有关的重要基因,随后培育了选择性多靶点敲除的斑马鱼。同时,他们改进细胞标记技术,跟踪了特定胚胎细胞随动物的生长发育而发生迁移的时间和位置。“这是一个激动人心的时刻,我们发现标记的人体和小鼠腕与指的细胞,仅在鱼的鳍中出现。”负责细胞标记跟踪的研究人员Gehrke说。

【图注】标记的小鼠来源的腕与指(趾)的细胞(左)仅存在于鱼鳍(右)中,暗示上万年来鱼类使用的鱼鳍可能进化成当代人类的手指脚趾。

他们研究了鱼细胞的发育过程,在一些试验中,从受精开始一直追踪到这些细胞发育形成成年鱼鳍的一部分。以往研究证明,Hox 家族基因(Hox D and Hox A)与小鼠腕和指趾发育相关。敲除这一基因后,小鼠就不再发育出腕与指/趾。于是,针对斑马鱼这一现象,该实验室主要研究了 Hox 基因。当敲除了同种 Hox 基因,斑马鱼的鳍长明显减小。通过高能 CT 扫描仪,在缺失这些基因的鱼鳍中能看到一些非常细小的结构。结果显示缺失这些基因使鳍条消失,而鱼鳍中由软骨组成的细小骨头却增加。研究人员猜测,Hox 基因的改变阻止了细胞从鱼鳍底部向端部迁移,从而使细胞堆积在鱼鳍底部而形成软骨组织。这表示上亿年前很可能是一次基因突变使得鱼类不再长鳍条,而长出了更适合陆地生活的软骨组织。

研究人员表示,虽然这一结果仍有很多方面有待探索,包括对 Hox 基因开展进一步实验,理解其在鱼类和人类中使用同一种细胞群而形成如此不同结构的机制。未来可能需要开展新的探索,以寻找更多的从鳍过渡到四肢的化石中间物——例如第一个作为原始鱼类和四条腿动物之间连接的提塔利克鱼(Tiktaalik)化石。

【图注】提塔利克鱼复原图

2004 年,科学家在加拿大北极圈发现“鱼足动物”提塔利克鱼(Tiktaalik)化石。化石中的鱼鳍像四肢一样用来在陆地上“行走”,被认为是生命从海洋移居到陆地的最早证据。化石中的鱼,约九英尺长,头部扁平,牙齿锋利,长相混合了鱼和鳄鱼的特征,在较浅的淡水中捕猎。

原文链接:

Digits and fin rays share common developmental histories

原文摘要:

Understanding the evolutionary transformation of fish fins into tetrapod limbs is a fundamental problem in biology1. The search for antecedents of tetrapod digits in fish has remained controversial because the distal skeletons of limbs and fins differ structurally, developmentally, and histologically2, 3. Moreover, comparisons of fins with limbs have been limited by a relative paucity of data on the cellular and molecular processes underlying the development of the fin skeleton. Here, we provide a functional analysis, using CRISPR/Cas9 and fate mapping, of 5′ hox genes and enhancers in zebrafish that are indispensable for the development of the wrists and digits of tetrapods4, 5. We show that cells marked by the activity of an autopodial hoxa13 enhancer exclusively form elements of the fin fold, including the osteoblasts of the dermal rays. In hox13knockout fish, we find that a marked reduction and loss of fin rays is associated with an increased number of endochondral distal radials. These discoveries reveal a cellular and genetic connection between the fin rays of fish and the digits of tetrapods and suggest that digits originated via the transition of distal cellular fates.

来源: Nature 浏览次数:0

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