哈佛大學(xué)的研究人員展示了動(dòng)物如何利用基因來發(fā)育四肢和眼睛，頭足類動(dòng)物和脊椎動(dòng)物最后的共同祖先存在于5億多年前。事實(shí)上，魷魚與蛤蜊的關(guān)系比與人的關(guān)系更密切。盡管如此，這兩個(gè)譜系獨(dú)立進(jìn)化出了照相機(jī)鏡頭式的眼睛，它們的特征非常相似:一個(gè)鏡頭在前面，一個(gè)杯子狀的、可以感知圖像的視網(wǎng)膜在后面。

幾十年來，科學(xué)家們一直想知道烏賊和它們的近親是如何得到眼睛的。在本周發(fā)表在《BMC生物學(xué)》(BMC Biology)雜志上的一項(xiàng)研究中，哈佛大學(xué)(Harvard)的一個(gè)實(shí)驗(yàn)室向解開這個(gè)謎團(tuán)又邁進(jìn)了一步。

FAS系統(tǒng)生物學(xué)中心的研究人員發(fā)現(xiàn)，魷魚眼睛發(fā)育中有一個(gè)重要的基因網(wǎng)絡(luò)，眾所周知，這一基因網(wǎng)絡(luò)也在脊椎動(dòng)物和昆蟲等動(dòng)物的四肢發(fā)育中發(fā)揮著關(guān)鍵作用?？茖W(xué)家們說，這些基因已經(jīng)被重新利用在魷魚身上，使其成為照相機(jī)鏡頭型的眼睛。

研究結(jié)果可以幫助研究人員了解這些基因和已知的細(xì)胞途徑在頭足類動(dòng)物和脊椎動(dòng)物中是如何真正發(fā)揮作用的。它們還提供了一個(gè)創(chuàng)新的例子，說明不同的動(dòng)物譜系是如何巧妙地劫持它們武器庫(kù)中的基因工具，并對(duì)它們進(jìn)行調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)驚人的進(jìn)化壯舉。

“這相當(dāng)令人震驚，因?yàn)楹苌儆腥苏J(rèn)為眼睛晶狀體和腿很像，”約翰哈佛杰出科學(xué)研究員、該研究的資深作者克里斯汀·柯尼格(Kristen Koenig)說。“生物學(xué)上的一個(gè)大問題是你如何創(chuàng)造新的[形態(tài)特征]。烏賊的鏡片對(duì)它們的家族來說是一種新奇的東西。它們必須從零開始做一個(gè)透鏡，這樣才能看得很清楚。這項(xiàng)工作意味著，你必須利用現(xiàn)有的工具，并將它們用于新的目的?！?/p>

來自Koenig實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們推測(cè)，他們?cè)跒踬\身上發(fā)現(xiàn)的基因網(wǎng)絡(luò)可能對(duì)創(chuàng)造特定器官并不重要，但它們可能在做一些對(duì)特定發(fā)育功能有用的更普遍的事情，包括肢體和晶鏡的發(fā)育。這些其他的發(fā)育功能可能包括精確的基因表達(dá)，在正確的時(shí)間將正確的細(xì)胞類型、數(shù)量和形狀放置在正確的位置。比如四肢和眼睛的晶狀體，一開始是一層扁平的細(xì)胞，后來形成同心圓，形成靶心狀的圖案，然后從同心圓發(fā)展到最終的形狀。

“我們的發(fā)現(xiàn)打破了這個(gè)網(wǎng)絡(luò)僅僅是為了‘肢體生長(zhǎng)’功能而進(jìn)化的想法，而是為任何需要這種同心圓樣主題的模式提供了更廣泛的功能，包括肢體、晶狀體、牙齒生長(zhǎng)，以及其他我們尚未確定的功能?！眲P尼格實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員、這項(xiàng)研究的主要作者Kyle J. McCulloch說。

研究人員通過操縱一種叫做WNT信號(hào)通路的細(xì)胞通路，對(duì)這些基因在烏賊眼睛發(fā)育中的作用有了更好的了解。在果蠅中，這是一種眾所周知的途徑，可以觸發(fā)導(dǎo)致肢體發(fā)育的基因。

研究人員想知道，一組對(duì)腿部發(fā)育重要的基因是如何形成晶狀體的，以及WNT信號(hào)通路在晶狀體發(fā)育中起了什么作用。他們?cè)跒踬\胚胎上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)過度激活這一通路會(huì)導(dǎo)致晶狀體的喪失。這使科學(xué)家們相信，WNT信號(hào)如何作用于這些基因的差異，可能對(duì)烏賊控制四肢和晶狀體基因表達(dá)的方式很重要。

該實(shí)驗(yàn)室計(jì)劃繼續(xù)研究這些基因，并將它們?cè)诰铙w發(fā)育中的功能與它們?cè)谄渌螒B(tài)特征發(fā)育中的功能進(jìn)行比較。

“這項(xiàng)工作最終顯示了研究不同系統(tǒng)的力量，”Koenig說。“令人驚訝的是，我們?cè)诠壓图棺祫?dòng)物等其他模型系統(tǒng)中研究得如此出色的基因，我們以為我們了解了它們的共同功能是制造腿，卻被用于烏賊這個(gè)完全不同的器官。它改變了我們對(duì)這些規(guī)范基因在發(fā)育中的作用的看法。通過觀察生命的多樣性，我們實(shí)際上可能更準(zhǔn)確地了解這些基因在做什么。”

來源：harvard