一个简单的基因改变给斑马鱼的鳍增加了类似四肢的骨头
一个简单的基因改变给斑马鱼的鳍增加了类似四肢的骨头

一个简单的基因改变给斑马鱼的鳍增加了类似四肢的骨头

一个单一基因的功能获得突变揭示了古老的肢体形成能力,这种能力已经保存了数亿年。

艾比名
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2021年2月5日

上图:解剖后的斑马鱼胸鳍骨图像显示,斑马鱼在waslb比野生鱼类(左)多两根长骨(右,箭头)。
M.B.霍金斯等,细胞,2021

W虽然鱼类的鳍和我们四肢相连的前臂在外形和功能上的差异很明显,但有一个共同的联系:它们都来自我们共同的祖先——多骨鱼——的同一个附肢。在今天发表的一项研究中细胞,研究人员在斑马鱼中发现了一种功能获得突变体(鲐鱼类)在鱼鳍的两根长骨的末端长出一组额外的骨头。产生这些额外骨头的基因程序与四足动物前臂骨头的指令相似。

密歇根州立大学进化发育生物学家英戈·布拉希没有参与这项研究,他说:“在你认为这些结构早已消失的谱系中,有一种构建形态结构的潜力。”因为几百万年来鱼鳍看起来都很相似,科学家们不知道构建鱼鳍的基因组仍然可以像它们的祖先那样做出四肢状的骨头。“通过相对简单的遗传操作,你可以重新唤起祖先的遗传程序,以构建在脊椎动物非常遥远的进化谱系中看到的结构。”

属于硬骨鱼类谱系的大约3万种鱼类都以类似的方式生长胸鳍:它们最靠近身体,有四根并排的长骨,其中两根在成年时一直连接到肩膀。这些长骨与小的桡骨相连,这些桡骨支撑着穿过鳍的骨射线。

随着研究的深入,我们发现鱼类与人类或陆地动物并没有我们想象的那么不同。

-盖奇·克伦普,南加州大学

2017年,哈佛医学院和波士顿儿童医院的马修·哈里斯实验室的一个团队发表了一篇论文的遗传屏幕该研究的目标是找到影响成年斑马鱼的显性突变。他们将雄性斑马鱼暴露在一种突变剂中,然后将这些雄性斑马鱼与野生的雌性斑马鱼杂交,然后再将突变的后代与野生鱼类杂交。这一策略使他们能够识别出72个显性突变体,这些突变体有骨骼缺陷、色素沉着异常或两者都有,并存活到成年。其中一个有显著的解剖学变化,吸引了卡特琳·亨克(Katrin Henke)的注意。她是屏幕的领导者,现在在埃默里大学(Emory University)经营着一个实验室,与哈里斯和研究生毕业后担任博士后的布伦特·霍金斯(Brent Hawkins)一起工作。

“有一次我们仔细观察了骨架……我们注意到胸鳍上有这些多余的骨头,这些骨头本不应该在那里的,这真的让我们大吃一惊,”霍金斯说。

研究人员检查了发育过程中杂合子突变鱼的骨骼,发现额外的骨头出现在受精后的三到五周,最初的延长和随后的关节形成将现有的两个长骨分成四个部分。“我们对分割过程进行了更仔细的分析,发现了一些与四足动物骨骼分割的相似之处,”Hawkins说欧洲杯微信竞猜活动这位科学家。这些鱼骨头,不仅没有出现在野生型动物,但关节空间分离的新骨老骨头看起来很像的滑膜关节出现在四肢,无论是它们的形状和模式joint-specific蛋白质,他补充道。

接下来,研究人员将这种突变映射到一种叫做wiskott-aldrich b症状(waslb)。其蛋白产物参与丝状肌动蛋白的形成,具有转录和细胞迁移等多种作用。他们通过敲除突变的等位基因,证实了他们的鱼携带了功能获得突变,从而恢复了动物的正常外观。当研究人员敲除老鼠胚胎组织中的基因(通常会变成四肢)时,老鼠的骨头会融合,手指的部分也会丢失。

霍金斯说,发生了什么waslb骨骼和关节生长的数量越多。随着复位,骨头变少了。

然后,研究小组调查了如何waslb与已知的肢体发育监管机构有关,比如同源框(hox)基因。例如,之前在老鼠身上就有过hox11是制作前臂所必需的。研究小组发现waslb需要功能hox11产生额外的骨骼,并与其他物质相互作用hox决定鱼类胸鳍花纹的基因。这与hox11表明变异鱼的额外骨骼与四足动物的前臂骨骼是同源的,这意味着这种鱼的基因组仍然携带着形成四肢骨骼所需的信息,尽管数百万年来它们都没有这样做。

“现在的大黑匣子是……连接的分子过程waslb控制hox基因,”霍金斯解释说。肌动蛋白在各种各样的细胞环境中发挥作用,他补充道。“对于每一个,你可以想象一种方式,它最终与hox程序。”

“随着我们研究的越来越多,我们了解到鱼类与人类或陆地动物并没有我们想象的那么不同。南加州大学干细胞生物学家盖奇·克伦普(Gage Crump)说。他没有参与这项研究。他说,一个悬而未决的问题是,“如果这种信息存在于鱼体内,为什么没有形成肢体?”

“为什么硬骨鱼似乎没有利用这一潜在的潜力,”布拉希同意这一观点,他假设理解两者之间的联系waslbhox基因可以提供线索。“那里肯定存在着极端的多效性效应,可以解释为什么进化没有修补这条路径。”

M.B.霍金斯等人,“斑马鱼形成四肢状骨骼结构的潜在发育潜能,”细胞,doi: 10.1016 / j.cell.2021.01.003, 2021年。