哈佛大学发现了“足”基因形成“眼睛”的奥秘

哈佛大学的研究人员展示了动物如何利用基因来发育四肢和眼睛，头足类动物和脊椎动物最后的共同祖先存在于5亿多年前。事实上，鱿鱼与蛤蜊的关系比与人的关系更密切。尽管如此，这两个谱系独立进化出了照相机镜头式的眼睛，它们的特征非常相似:一个镜头在前面，一个杯子状的、可以感知图像的视网膜在后面。

几十年来，科学家们一直想知道乌贼和它们的近亲是如何得到眼睛的。在本周发表在《BMC生物学》(BMC Biology)杂志上的一项研究中，哈佛大学(Harvard)的一个实验室向解开这个谜团又迈进了一步。

FAS系统生物学中心的研究人员发现，鱿鱼眼睛发育中有一个重要的基因网络，众所周知，这一基因网络也在脊椎动物和昆虫等动物的四肢发育中发挥着关键作用。科学家们说，这些基因已经被重新利用在鱿鱼身上，使其成为照相机镜头型的眼睛。

研究结果可以帮助研究人员了解这些基因和已知的细胞途径在头足类动物和脊椎动物中是如何真正发挥作用的。它们还提供了一个创新的例子，说明不同的动物谱系是如何巧妙地劫持它们武器库中的基因工具，并对它们进行调整，以实现惊人的进化壮举。

“这相当令人震惊，因为很少有人认为眼睛晶状体和腿很像，”约翰哈佛杰出科学研究员、该研究的资深作者克里斯汀·柯尼格(Kristen Koenig)说。“生物学上的一个大问题是你如何创造新的[形态特征]。乌贼的镜片对它们的家族来说是一种新奇的东西。它们必须从零开始做一个透镜，这样才能看得很清楚。这项工作意味着，你必须利用现有的工具，并将它们用于新的目的。”

来自Koenig实验室的科学家们推测，他们在乌贼身上发现的基因网络可能对创造特定器官并不重要，但它们可能在做一些对特定发育功能有用的更普遍的事情，包括肢体和晶镜的发育。这些其他的发育功能可能包括精确的基因表达，在正确的时间将正确的细胞类型、数量和形状放置在正确的位置。比如四肢和眼睛的晶状体，一开始是一层扁平的细胞，后来形成同心圆，形成靶心状的图案，然后从同心圆发展到最终的形状。

“我们的发现打破了这个网络仅仅是为了‘肢体生长’功能而进化的想法，而是为任何需要这种同心圆样主题的模式提供了更广泛的功能，包括肢体、晶状体、牙齿生长，以及其他我们尚未确定的功能。”凯尼格实验室的博士后研究员、这项研究的主要作者Kyle J. McCulloch说。

研究人员通过操纵一种叫做WNT信号通路的细胞通路，对这些基因在乌贼眼睛发育中的作用有了更好的了解。在果蝇中，这是一种众所周知的途径，可以触发导致肢体发育的基因。

研究人员想知道，一组对腿部发育重要的基因是如何形成晶状体的，以及WNT信号通路在晶状体发育中起了什么作用。他们在乌贼胚胎上进行了实验，发现过度激活这一通路会导致晶状体的丧失。这使科学家们相信，WNT信号如何作用于这些基因的差异，可能对乌贼控制四肢和晶状体基因表达的方式很重要。

该实验室计划继续研究这些基因，并将它们在晶状体发育中的功能与它们在其他形态特征发育中的功能进行比较。

“这项工作最终显示了研究不同系统的力量，”Koenig说。“令人惊讶的是，我们在果蝇和脊椎动物等其他模型系统中研究得如此出色的基因，我们以为我们了解了它们的共同功能是制造腿，却被用于乌贼这个完全不同的器官。它改变了我们对这些规范基因在发育中的作用的看法。通过观察生命的多样性，我们实际上可能更准确地了解这些基因在做什么。”

来源：harvard