Nature Genetics:打破原有观点,发现四肢真正的起源

【字体: 时间:2018年04月25日 来源:生物通

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  当我们想到第一条从原始水域爬到陆地上的鱼时,很容易将它的那对鱼鳍想象成最终演化为现代脊椎动物(包括人类)的手臂和腿部。但是来自芝加哥大学和西班牙Andalusian发育生物学研究中心的研究人员完成的一项最新研究表明,这些生物其实有自己原初遗传图谱来发育其原始肢体,即所有具有下颌的鱼共同包含的单个背鳍。

  


上图:具有正常背鳍和成对胸鳍/腹鳍的青鳉鱼;
下图:当ZRS和sZRS增强子被剔除时,鱼鳍不能正常发育。
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当我们想到第一条从原始水域爬到陆地上的鱼时,很容易将它的那对鱼鳍想象成最终演化为现代脊椎动物(包括人类)的手臂和腿部。但是来自芝加哥大学和西班牙Andalusian发育生物学研究中心的研究人员完成的一项最新研究表明,这些生物其实有自己原初遗传图谱来发育其原始肢体,即所有具有下颌的鱼共同包含的单个背鳍。

这一研究成果公布在Nature Genetics杂志上,这一研究表明鱼类,小鼠以及所有现代脊椎动物可能具有共同的遗传元件,这些遗传元件最初用于发育成古鱼中不成对的背鳍。后来这些元件又被用来产生成对的体肢,如腹鳍和胸鳍,手臂和腿。

文章作者,芝加哥大学解剖学教授Neil Shubin博士说,“我们在化石记录中看到的第一个是不成对的背鳍。而这项最新研究表明,所有鳍和其它附件的遗传机制最初来自于这里,并且被重新应用到其它动物上。”

Shubin和他的同事在小鼠和几种鱼类中都进行了基因分析,追踪Sonic hedgehog(Shh)基因的表达,Sonic hedgehog是一种具有广泛基本生物学功能的基因,但在肢体的形成中尤其重要。

研究人员发现在小鼠中,一种称为ZRS的遗传增强子,或者称为遗传开关调控着Shh的表达。如果敲除小鼠中的ZRS,它的四肢将不能正常发育。免费索取CRISPR-Pro基因敲除斑马鱼技术方案

研究人员利用 CRISPR/Cas9基因编辑工具敲除了青鳉鱼中的ZRS,这种小型观赏鱼类也被日本稻米鱼。他们开始以为剔除青鳉鱼的ZRS会影响其成对的鱼鳍,但事实相反,青鳉鱼无法发育的是没有成对的鱼鳍,成对了的腹鳍和胸鳍都能正常发育。

由此研究团队开始寻找其中扮演角色的遗传增强子,他们在附近发现了一个相关的“shadow enhancer(影子增强子,生物通译)”,这个增强子似乎可以和主ZRS一起工作。

当研究人员在青鳉鱼中敲除了ZRS和sZRS时,它的背鳍和成对的鳍都丢失了。这意味着ZRS最初可能用于帮助发育背鳍,然后当sZRS复制并作为sZRS重复使用时,成对的鱼鳍在约4.75亿年前首次出现。

“这是非常古老的,并且所有脊椎动物的序列和功能都是保守的,”Shubin说,“事实证明,ZRS的原始角色与背鳍有关,只是后来它在成对鱼鳍上的活性需要其它的影子增强子。”

Shubin表示,了解这些增强子的活性有助于识别所有脊椎动物中存在的进化痕迹,Tiktaalik roseae就在2004年发现了3.75亿年历史的过渡性“fishapod”物种。

“一些人类的疾病是由于ZRS出现了错误,比如可能会导致额外或丢失手指,或改变手的形状,”他说,“人类可能也有这种增强型影子增强子,所以如果我们想要研究这种影响肢体模式的动力学,这些鱼类模型是一个很好的开端。”

(生物通)

原文标题:

José Luis Gómez-Skarmeta et al. A conserved Shh cis-regulatory module highlights a common developmental origin of unpaired and paired fins. Nature Genetics, 2018 DOI: 10.1038/s41588-018-0080-5




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