遗传分析揭示了脊椎动物肢体的进化起源

当你想象第一条鱼从原始水域爬到陆地上时，很容易想象它的成对鳍最终是如何演变成现代脊椎动物(包括人类)的手臂和腿。但是，芝加哥大学和西班牙安达卢西亚发育生物学中心的研究人员进行的一项新研究表明，这些生物如何使用更原始的基因蓝图来发展他们的原始肢体：所有下颚共同的单背鳍或背鳍鱼。

这项研究发表在本周的“自然遗传学”杂志上，该研究表明，鱼类，老鼠和所有现代脊椎动物都有共同的遗传因素，这些元素最初用于开发古代鱼类中不成对的背鳍。他们后来复制这些元素以产生成对的附属物，如骨盆和胸鳍，手臂和腿。

“未配对的背鳍是你在化石记录中看到的第一个背鳍，”Uchicago的Robert R. Bensley杰出服务解剖学教授，新研究的合着者Neil Shubin博士说。“我们在这里表明，模仿所有鳍和其他配对附属物的遗传机制最初出现在那里并被重新部署到其他人身上。”

来自西班牙的Shubin和他的同事，由JoséLuisGómez-Skarmeta领导，对小鼠和几种鱼进行遗传分析，以追踪Sonic hedgehog(Shh)的表达，Sonic hedgehog是一种广泛用于各种基本生物功能的基因，但尤其如此。四肢形成很重要。

在小鼠中，称为ZRS的遗传增强子或开/关开关控制Shh肢体的表达。如果你用鼠标击倒ZRS，它的四肢将无法正常发育。研究人员使用CRISPR / Cas9基因编辑工具敲除了青蒿中的ZRS，这是一种小型的，受欢迎的观赏鱼，也被称为日本稻鱼。他们预计删除青蒿中的ZRS会影响其成对的鳍，但相反，鱼没有生长其未配对的背鳍。成对的骨盆和胸鳍正常发育。

这导致团队寻找可能涉及的其他遗传增强剂，并且他们在附近发现了一个名为sZRS的相关“阴影增强剂”，它似乎与主要的ZRS开关一起工作。当他们在青med中淘汰ZRS和sZRS时，它的背鳍和成对的鳍都丢失了。这意味着ZRS最初可能用于帮助开发背鳍，然后在成对的鳍首次出现在大约4.75亿年前复制并重新用作sZRS。

“这是非常古老的，所有脊椎动物的序列和功能都是守恒的，”舒宾说。“事实证明，ZRS的原始角色与背鳍有关。只是后来它在成对的鳍中的活动需要另一个阴影增强剂。”

Shubin说，了解这些增强剂的活性有助于识别所有脊椎动物中存在的进化祖先的痕迹，从他在2004年发现的3.75亿年前的过渡性“fishapod”物种Tiktaalik roseae到现代人类。

“许多人类疾病是基于ZRS的错误，这些错误会导致手指额外或缺失，或者手的形状发生变化，”他说。“人类也可能有这种阴影增强剂，所以如果我们想研究它如何影响肢体模式的动态，我们在这些鱼类模型中看到的是一个很好的起点。”

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