通過調整單個基因，哈佛大學的科學家改造了斑馬魚，使其開始形成類似四肢的附肢。研究人員在篩選各種基因突變及其對魚類發(fā)育的影響時，偶然發(fā)現(xiàn)了這種突變，這可能為弄清脊椎動物從海洋到陸地的轉變提供線索。該論文2月5日刊登于Cell Press細胞出版社旗下期刊《細胞》（Cell）上，標志著人們在理解從鰭到肢的進化以及簡單基因改變如何在復雜結構發(fā)展中創(chuàng)造巨大飛躍邁出了一步。

該研究的第一作者M. Brent Hawkins說：“僅僅一個突變就能產(chǎn)生全新的骨骼和關節(jié)，這有點難以置信。在30000種硬骨魚類中，沒有一種魚有這種變異，所以發(fā)現(xiàn)這樣的變異真的讓我們大吃一驚。”Hawkins最近獲得了哈佛大學有機體和進化生物學博士學位。

Hawkins和同事發(fā)現(xiàn)的變異導致了斑馬魚胸鰭骨骼的“近端放射狀骨”的變化，它附著在魚的肩關節(jié)上，類似于人類手臂連接到肩膀上的方式。但與人類和其他四足動物不同的是，斑馬魚沒有手臂和手指那樣的骨骼。但有了這種突變，一組新的被稱為“中間橈骨”的長骨得以發(fā)育，并能夠與現(xiàn)有的近端橈骨關節(jié)相連，形成一個類似肘關節(jié)的關節(jié)。

哈佛大學醫(yī)學院遺傳學副教授、波士頓兒童醫(yī)院骨科的Matthew Harris是該研究的資深作者，他表示，“在這個突變中，魚獲得了新的骨骼、關節(jié)和肌肉附件，這些都是一次性完成的。不需要肌肉、關節(jié)和骨骼基因發(fā)生突變，這個系統(tǒng)是協(xié)調一致的，無論我們做出什么改變，它都能夠把所有事情協(xié)調起來。”

遺傳分析顯示，vav2和waslb這兩個基因中的任何一個突變都可以獨立導致這種發(fā)育變化。這兩個基因此前都被認為與骨骼發(fā)育無關，但該項研究分析顯示，它們都激活了發(fā)育調控肢體中部的Hox（同源異型）機制(1)。“通過這些斑馬魚，我們實際上能夠證明這些突變激活了通常認為只在四肢中發(fā)生的發(fā)育機制。”Harris說，“所以我們不僅擁有了之前從未在硬骨魚見過的形態(tài)，而且還開啟了它們的祖先模式，這些模式被認為只與肢體相關。”

四肢被認為是一個關鍵的進化創(chuàng)新，它使脊椎動物能夠在陸地上行走，而鳥類和蝙蝠則能飛。這些結果表明，這群之前被認為進化出四肢必需的機制已經(jīng)失去或靜默的魚，實際上還保留了形成這些結構的先天能力。Hawkins說：“通過研究，我們發(fā)現(xiàn)了鰭和四肢之間意想不到的共性，我認為還有更多的相似之處有待發(fā)現(xiàn)。”

盡管有這些發(fā)現(xiàn)，新骨骼是否改變了斑馬魚胸鰭的功能仍然是一個問題。下一步研究人員將結合精準視頻顯微鏡確定這些新骨骼的關節(jié)是否足以影響斑馬魚的移動方式。Hawkins說：“通常情況下，這些結構不具備在陸地上移動所需的關節(jié)。但如果我們把這種變異放在一個平臺上，看看它們是否能調整，這將是非常有趣的。”

隨著這些突變被發(fā)現(xiàn)，研究人員對脊椎動物如何在陸地上邁出第一步以及讓其成為現(xiàn)實所必需的遺傳和發(fā)育機制等問題有了新思路。Hawkins說：“雖然這不是故事的全部，但我們看到一個窗口，讓我們解開一個謎：鰭如何進化到現(xiàn)代肢體。”

“對我來說，這些突變能告訴我們動物發(fā)展和形成復雜結構的能力。這很好地提醒了我們，不是所有的‘怪物’都可怕。如果你仔細觀察，有時候它們能告訴你很多關于它們自己的事情。”Harris說。