Первые четвероногие наземные существа, известные как ранние четвероногие, произошли от рыб после превращения плавников в конечности. Эта эволюция от плавника к конечности является важным, но пока нерешенным примером того, как морфологические изменения могут кардинально изменить жизнь на Земле.
Теперь исследователи из Tokyo Tech и CRG вместе с учеными из Японии и Испании показали, как генетические изменения, управляющие формированием скелетных структур в плавниках, могли привести к эволюции конечностей и появлению ранних четвероногих.Передние конечности четвероногих произошли от грудных плавников предковых рыб.
Эти плавники содержат три или более базальных кости, соединенных с грудным (плечевым) поясом. Однако большая часть базальных костей, расположенных на передней стороне (то есть на стороне большого пальца в конечности человека), была потеряна у ранних четвероногих, и только самая задняя кость осталась как «плечевая кость (то есть верхняя часть руки человека)».Грудные плавники кошачьей акулы также содержат три базальные кости, как у предковых рыб.
Таким образом, команда исследовала развитие плавников у кошачьих акул и обнаружила сдвиг в балансе переднего (сторона большого пальца) и заднего (сторона мизинца) полей в их зачатках плавников по сравнению с таковым в зачатках конечностей мыши.Ключевым белком-регулятором, контролирующим баланс передних и задних полей зачатков конечностей четвероногих, является Gli3. Этот белок экспрессируется в передней части зачатков конечностей и регулирует экспрессию ряда генов, обеспечивающих клетки информацией об их положении вдоль передне-задней оси.
Напр., Alx4 и Pax9 экспрессируются в небольшой области передней части зачатка конечности, тогда как Hand2 экспрессируется в большой области заднего поля.Чтобы определить, произошли ли сдвиги в балансе переднего и заднего поля во время эволюции от плавника к конечности, Онимару, доктор наук, в настоящее время работающий в лаборатории Шарпа (CRG), и его коллеги тщательно сравнили экспрессию, функцию и регуляцию генов, вовлеченных в переднюю часть тела. задний узор на грудных плавниках кошачьей акулы, как и у мышей. Они обнаружили, что в грудном плавнике эмбрионов кошачьей акулы экспрессия Gli3 усиливается сзади, и баланс передних и задних полей смещен.
Это указывает на то, что главный генетический сдвиг (апостериоризация) произошел по мере развития четвероногих.Более того, они обнаружили, что в геноме кошачьей акулы отсутствует последовательность, обнаруженная у мышей и других четвероногих, которая отвечает за предотвращение экспрессии Gli3 в задней части зачатков конечностей четвероногих. Как известный репрессор, ограничение Gli3 передней частью может приводить к потере скелетной структуры в этом домене. Когда исследователи экспериментально «задериоризовали» зачатки грудных плавников кошачьих акул, они потеряли передние скелетные элементы и показали единственную кость, соединенную с грудным поясом, как это видно на ископаемых грудных плавниках тиктаалика.
Эти результаты предполагают, что одним из ключевых генетических событий во время эволюции от плавника к конечности было изменение баланса передних и задних полей («постериоризация») и потеря передних элементов скелета. Дальнейшие исследования, включающие полногеномные исследования, особенно роли Gli3, помогут изучить эти результаты более полно.