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从鱼鳍到手指头,演化改变了什么?

当你熟练地移动鼠标点开链接时,你或许意识不到,在这再普通不过的动作中,你已经使用世上最独特的工具之一:人类的手。构造精细的双手让人们得以将脑中所想变为现实,去改变环境,产生文明。

那么,我们的双手从何而来?

2004年,古生物学尼尔·舒宾(Neil Shubin)和泰德·德斯科勒(Ted Daeschler)团队在加拿大北部的埃尔斯米尔岛找到了一种怪异生物的化石:它像鱼一样有着鳃和鳍,同时又具有颈部,以及骨骼结构类似手臂的前鳍……这种名为提塔利克鱼(Tiktaalik)的生物生活在约3.75亿年前的泥盆纪晚期,被认为是鱼类和早期四足类动物之间的过渡性物种。在它和与它类似的物种离开水面、触碰陆地的征程中,漫长的岁月如精致的雕刻家般在它们的基因组里留下了进化的拓印。最终,脚踏大地的四足类出现在了这颗星球上。而它们中的一支,将在前肢末端长出双手。

提塔利克鱼的化石和复原模型。这种生物的前鳍骨骼已经演化出了类似腕的结构。图片来源:Beth Rooney/uchicago.edu

鱼类与四足类之间的演化史空缺因提塔利克鱼的发现而填上了一块。但是,四肢与鱼鳍在发育上的关系依然尚不明朗。发育生物学证据显示,鱼鳍的鳍条和四足动物前肢的指骨有着截然不同的发育途径——组成鳍条的硬骨是膜骨(dermal bones),它们直接在结缔组织中形成;而四足类的指骨是软骨化骨(endochondral bones),它们则是先在结缔组织中形成软骨,再将软骨破坏而形成的。基于这样的原因,多年以来,科学家们一直认为指头是一种没有前身的结构创新。

在小鼠的前爪(左)中,组成指和腕的骨骼都是软骨化骨,而在斑马鱼的鳍(右)中,鱼鳍基部的骨骼是软骨化骨,但鳍条的骨骼却是膜骨。在鱼类向早期四足类演化的过程中,从膜骨到软骨化骨的变化如何发生,一直并不明朗。图片来源:参考文献[1]

不过,这种观点现在受到了动摇。借助CRISPR基因编辑技术,舒宾的团队发现鳍条和指头可能是一脉相承的结构,它们共用一套遗传工具,也共享着一段发育历史。他们的论文[2]近日被发表到《自然》(Nature)杂志上。

从鳍条到指头:同样的细胞,不同的命运

在之前的研究中,人们已经知道在四肢形成的过程中,一类名为Hox的基因起着关键作用,其中的Hox13在腕骨和指骨发育中的作用更是决定性的。20世纪90年代,研究者发现Hoxa13Hoxd13两个基因失去功能的小鼠,在发育时完全失去了手部结构。这意味着,在小鼠胚胎中,在终将发育成小鼠前肢的肢芽(limb bud)里,有一些细胞需要在这些基因被激活的状态下才会形成腕部和指节。荧光标记指示,这些细胞集中在肢芽远端。

舒宾和同事借助最成熟的鱼类模式生物——斑马鱼,来对鱼鳍和四肢之间的关系进行更加深入的研究。他们意外地发现,斑马鱼鱼鳍在发育过程中,鳍芽远端的一些细胞也同样会在特定时期激活Hox基因,并向外迁移发育成鳍条。这些结果提示,尽管鳍条和指骨是发育方式完全不同的骨骼,但塑造它们的细胞却有着同样的特征。

舒宾实验室的博士后中村哲也穿着印有小鼠前肢和斑马鱼鱼鳍图像的T恤。在这幅图中,相同的荧光标记出现在了小鼠的腕部、指头和鱼鳍的鳍条部位。图片来源:Jose Luis Gomez Skar/twitter.com

2013年起,舒宾实验室的博士后中村哲也(Tetsuya Nakamura)试图利用当时引起巨大反响的CRISPR系统在斑马鱼中敲除Hox13家族基因,来观察它们对斑马鱼鱼鳍发育的影响。结果显示,只有Hoxd13a一个基因失去功能的斑马鱼成体,鱼鳍长度与野生型的斑马鱼鱼鳍没有显著差别,但同时失去了Hoxa13aHoxa13b(斑马鱼的两种Hoxa13亚型)的斑马鱼,鳍条则变得更短。将这三个基因一并敲除的斑马鱼,鱼鳍也呈现出相似的形态。

指头和鳍条共享着部分发育史。小鼠(上排)胚胎发育的特定时期,表达Hox的细胞位于肢芽远端(红色),这些细胞将参与形成野生型小鼠的腕部和指骨——而敲除Hoxa13Hoxd13这两个基因后,腕部和指骨则不发育。类似地,斑马鱼(下排)受精卵产生48小时后,表达Hox的细胞位于鳍芽远端(红色),它们会往外迁移并参与形成鳍条。而敲除特定的Hox基因后,鳍条大幅减小。图片来源:参考文献[2]

更加有趣的是,他们通过CT扫描技术发现,那些鳍条剧烈缩短的斑马鱼,在鳍条基底部都出现了更多的软骨化骨——也就是组成四足类指头的骨骼类型。研究者推测,当缺失Hox基因时,本应向外迁移形成膜骨的间充质细胞无法正常迁移,堆积在鳍芽远端,最终发育成软骨化骨,从而导致鳍条变短。

野生型斑马鱼的胸鳍(上排)和Hox基因三重敲除的斑马鱼胸鳍(下排)。左列为阿尔新蓝/ 茜素红染色的胸鳍照片;中列为胸鳍的CT扫描图像(黑色显示软骨化骨,灰色显示膜骨);右列为CT图像的局部放大,可见远端的软骨化骨数量差异(红色)。图片来源:参考文献[2]

这样的变化是不是让你想起了什么?没错,膜骨的消失和软骨化骨在肢端的发展,正是骨骼从硬骨鱼向早期四足类演化的过程中所经历的变化趋势。细胞的分化命运也正如你我的命运一样千丝万缕,或许就是数亿年前一些基因突变的微妙牵动,将新的命运带给了早已习惯打造膜骨的细胞,让远古的鱼鳍开始了不一样的演化之路,最终成就了我们灵巧的双手。

由于鳍条和指骨的发育都涉及同一类细胞的迁移和分化,尼尔·舒宾团队这些结果为鳍条与指骨之间的遗传关联提供了证据。在感到兴奋的同时,科学家们依然保持着严谨的乐观。来自加利福尼亚大学圣迭戈分校的阿迪蒂亚·瑟斯纳(Aditya Saxena)和金柏莉·库珀(Kimberly L. Cooper)认为,研究者依然有必要在更“原始”的鱼类物种,比如雀鳝和匙吻鲟中进行类似的工作,来进一步验证尼尔·舒宾的突破性进展。不过,在如CRISPR-Cas9这样强力的编辑工具的帮助下,我们已经有理由相信,四肢演化的谜底即将揭晓。

新的实验工具将帮助研究者更好地窥视数亿年来四肢的演化历程。图片来源:PBS

(编辑:Calo)

参考文献:

  1. Aditya Saxena & Kimberly L. Cooper. Evolutionary biology: Fin to limb within our grasp. Nature (2016)
  2. Nakamura, Tetsuya, et al. "Digits and fin rays share common developmental histories." Nature (2016).

文章题图:Shubin Laboratory

The End

发布于2016-08-23, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

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Lucorta92

生物医学博士后

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