《PNAS》研究面部发育障碍的新动物模型

【字体: 时间:2021年11月05日 来源:University of Tokyo

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  对骨骼和动物胚胎的新检查使研究人员能够发现哺乳动物是如何长出突出、灵活的鼻子的。这项研究有助于揭示哺乳动物强烈嗅觉的起源,并创造了新的动物模型,如鸡或青蛙,这些动物模型通常用于实验室实验,以研究腭裂等面部发育障碍。

对面部进化的传统科学理解是,哺乳动物和爬行动物的颌部几乎是以相同的方式发育的。尽管哺乳动物有一个独特的鼻子,但这种结构的进化仍是未知的。

“现存的四足动物化石,无论是爬行动物还是哺乳动物的祖先,都有相同数量的上颚骨。人们很容易认为这些骨头是一样的,但现在我们可以研究胚胎,跟踪细胞的发育,以更详细地研究这些骨头,”东京大学医学院研究进化发展的博士后研究员Hiroki Higashiyama解释说。这项研究最近发表在《美国国家科学院院刊》(Proceedings of The National Academy of Sciences)上,是第一次利用比较多个物种的多个胚胎的细胞研究来检验面部结构的进化。

Hiroki Kurihara教授实验室的Higashiyama和他的同事们设计了实验来跟踪不同物种胚胎的面部发育,包括鸟类(鸡)、爬行动物(壁虎)和哺乳动物(老鼠)。他们关注的是胚胎中一组称为面部突起的细胞,这些细胞产生面部的物理结构。研究人员对这些细胞进行染色,以跟踪它们的移动和生长。在爬行动物中,一组被称为额鼻突的细胞形成了颚尖,但在哺乳动物中却变成了突出的鼻子。哺乳动物的颚尖由一组单独的细胞形成,称为上颌突。

利用细胞实验的这一新视角,研究人员随后检查了化石标本。

随着物种的祖先积累了更多的身体和遗传差异,爬行动物上颌尖的前颌骨变小并向上迁移,而其后面的鼻中隔骨变大并向前移动,成为哺乳动物的颌尖。研究人员说,像澳大利亚鸭嘴兽和针鼹这样的卵生哺乳动物的面部骨骼,提供了从进化较早的爬行动物模型向进化较晚的哺乳动物模型过渡的骨骼结构的额外的活例子。

鼻子和下巴的分离赋予了哺乳动物独特的“嗅”能力,用肌肉张开鼻孔,深深吸入环境中的气味。

Higashiyama说:“这一发现是人类和其他哺乳动物运动鼻子进化的关键创新,这有助于哺乳动物拥有高度灵敏的嗅觉。”

区分和识别如此多的气味可能也帮助哺乳动物比早期的祖先物种发展出更大、更复杂的大脑。

最近的研究已经提供了前上颌和中上颌进化转变的物理证据,但还需要单独的研究来确定遗传原因。

“现在我们知道了多种物种的面部突出和胚胎发育的组成,所以我们可以将鸡或青蛙的面部发育障碍与人类进行比较。目前,我们主要只是改进了教科书知识,但在未来,这些动物模型将成为我们研究的实际应用。”

小鼠是目前唯一研究唇腭裂的动物模型。小鼠的饲养成本昂贵,而且发育缓慢,所以额外的面部发育障碍动物模型可能会成为一个有价值的研究工具。


Hiroki Higashiyama, Daisuke Koyabu, Tatsuya Hirasawa, Ingmar Werneburg, Shigeru Kuratani, Hiroki Kurihara. Mammalian face as an evolutionary novelty. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2021; 118 (44): e2111876118 DOI: 10.1073/pnas.2111876118


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