哈佛大學(xué)的研究人員展示了動物如何利用基因來發(fā)育四肢和眼睛，頭足類動物和脊椎動物最后的共同祖先存在于5億多年前。事實上，魷魚與蛤蜊的關(guān)系比與人的關(guān)系更密切。盡管如此，這兩個譜系獨立進化出了照相機鏡頭式的眼睛，它們的特征非常相似:一個鏡頭在前面，一個杯子狀的、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)雜志上的一項研究中，哈佛大學(xué)(Harvard)的一個實驗室向解開這個謎團又邁進了一步。

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)也在脊椎動物和昆蟲等動物的四肢發(fā)育中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。科學(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胞途徑在頭足類動物和脊椎動物中是如何真正發(fā)揮作用的。它們還提供了一個創(chuàng)新的例子，說明不同的動物譜系是如何巧妙地劫持它們武器庫中的基因工具，并對它們進行調(diào)整，以實現(xiàn)驚人的進化壯舉。

“這相當令人震驚，因為很少有人認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?！吧飳W(xué)上的一個大問題是你如何創(chuàng)造新的[形態(tài)特征]。烏賊的鏡片對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透鏡，這樣才能看得很清楚。這項工作意味著，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實驗室的科學(xué)家們推測，他們在烏賊身上發(fā)現(xiàn)的基因網(wǎng)絡(luò)可能對創(chuàng)造特定器官并不重要，但它們可能在做一些對特定發(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，在正確的時間將正確的細胞類型、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)打破了這個網(wǎng)絡(luò)僅僅是為了‘肢體生長’功能而進化的想法，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，以及其他我們尚未確定的功能。”凱尼格實驗室的博士后研究員、這項研究的主要作者Kyle J. McCulloch說。

研究人員通過操縱一種叫做WNT信號通路的細胞通路，對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，一組對腿部發(fā)育重要的基因是如何形成晶狀體的，以及WNT信號通路在晶狀體發(fā)育中起了什么作用。他們在烏賊胚胎上進行了實驗，發(fā)現(xiàn)過度激活這一通路會導(dǎo)致晶狀體的喪失。這使科學(xué)家們相信，WNT信號如何作用于這些基因的差異，可能對烏賊控制四肢和晶狀體基因表達的方式很重要。

該實驗室計劃繼續(xù)研究這些基因，并將它們在晶狀體發(fā)育中的功能與它們在其他形態(tài)特征發(fā)育中的功能進行比較。

“這項工作最終顯示了研究不同系統(tǒng)的力量，”Koenig說?！傲钊梭@訝的是，我們在果蠅和脊椎動物等其他模型系統(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，卻被用于烏賊這個完全不同的器官。它改變了我們對這些規(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，我們實際上可能更準確地了解這些基因在做什么。”

來源：harvard