通過調(diào)整單個基因，哈佛大學的科學家改造了斑馬魚，使其開始形成類似四肢的附肢。研究人員在篩選各種基因突變及其對魚類發(fā)育的影響時，偶然發(fā)現(xiàn)了這種突變，這可能為弄清脊椎動物從海洋到陸地的轉(zhuǎn)變提供線索。該論文2月5日刊登于Cell Press細胞出版社旗下期刊《細胞》（Cell）上，標志著人們在理解從鰭到肢的進化以及簡單基因改變?nèi)绾卧趶?fù)雜結(jié)構(gòu)發(fā)展中創(chuàng)造巨大飛躍邁出了一步。
該研究的第一作者M. Brent Hawkins說：“僅僅一個突變就能產(chǎn)生全新的骨骼和關(guān)節(jié)，這有點難以置信。在30000種硬骨魚類中，沒有一種魚有這種變異，所以發(fā)現(xiàn)這樣的變異真的讓我們大吃一驚?！盚awkins最近獲得了哈佛大學有機體和進化生物學博士學位。
Hawkins和同事發(fā)現(xiàn)的變異導(dǎo)致了斑馬魚胸鰭骨骼的“近端放射狀骨”的變化，它附著在魚的肩關(guān)節(jié)上，類似于人類手臂連接到肩膀上的方式。但與人類和其他四足動物不同的是，斑馬魚沒有手臂和手指那樣的骨骼。但有了這種突變，一組新的被稱為“中間橈骨”的長骨得以發(fā)育，并能夠與現(xiàn)有的近端橈骨關(guān)節(jié)相連，形成一個類似肘關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)。
哈佛大學醫(yī)學院遺傳學副教授、波士頓兒童醫(yī)院骨科的Matthew Harris是該研究的資深作者，他表示，“在這個突變中，魚獲得了新的骨骼、關(guān)節(jié)和肌肉附件，這些都是一次性完成的。不需要肌肉、關(guān)節(jié)和骨骼基因發(fā)生突變，這個系統(tǒng)是協(xié)調(diào)一致的，無論我們做出什么改變，它都能夠把所有事情協(xié)調(diào)起來?！?/p>
遺傳分析顯示，vav2和waslb這兩個基因中的任何一個突變都可以獨立導(dǎo)致這種發(fā)育變化。這兩個基因此前都被認為與骨骼發(fā)育無關(guān)，但該項研究分析顯示，它們都激活了發(fā)育調(diào)控肢體中部的Hox（同源異型）機制(1)。“通過這些斑馬魚，我們實際上能夠證明這些突變激活了通常認為只在四肢中發(fā)生的發(fā)育機制?！盚arris說，“所以我們不僅擁有了之前從未在硬骨魚見過的形態(tài)，而且還開啟了它們的祖先模式，這些模式被認為只與肢體相關(guān)?！?/p>
四肢被認為是一個關(guān)鍵的進化創(chuàng)新，它使脊椎動物能夠在陸地上行走，而鳥類和蝙蝠則能飛。這些結(jié)果表明，這群之前被認為進化出四肢必需的機制已經(jīng)失去或靜默的魚，實際上還保留了形成這些結(jié)構(gòu)的先天能力。Hawkins說：“通過研究，我們發(fā)現(xiàn)了鰭和四肢之間意想不到的共性，我認為還有更多的相似之處有待發(fā)現(xiàn)?！?/p>
盡管有這些發(fā)現(xiàn)，新骨骼是否改變了斑馬魚胸鰭的功能仍然是一個問題。下一步研究人員將結(jié)合精準視頻顯微鏡確定這些新骨骼的關(guān)節(jié)是否足以影響斑馬魚的移動方式。Hawkins說：“通常情況下，這些結(jié)構(gòu)不具備在陸地上移動所需的關(guān)節(jié)。但如果我們把這種變異放在一個平臺上，看看它們是否能調(diào)整，這將是非常有趣的?！?/p>
隨著這些突變被發(fā)現(xiàn)，研究人員對脊椎動物如何在陸地上邁出第一步以及讓其成為現(xiàn)實所必需的遺傳和發(fā)育機制等問題有了新思路。Hawkins說：“雖然這不是故事的全部，但我們看到一個窗口，讓我們解開一個謎：鰭如何進化到現(xiàn)代肢體。”
“對我來說，這些突變能告訴我們動物發(fā)展和形成復(fù)雜結(jié)構(gòu)的能力。這很好地提醒了我們，不是所有的‘怪物’都可怕。如果你仔細觀察，有時候它們能告訴你很多關(guān)于它們自己的事情?！盚arris說。
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