研究揭示了成对附肢起源的新线索

包括科罗拉多大学医学院科学家在内的一项国际合作发现了有关成对附肢起源的新线索——这是一个尚未解决且备受争议的重要进化步骤。

研究人员在《自然》杂志上发表的一篇文章中描述了他们的研究。

“这已经成为一个充满争议的话题，但这确实是进化生物学中一个非常基本的问题：我们的四肢来自哪里?”共同通讯作者ChristianMosimann博士说，他是CU医学院发育生物学部儿科学系副教授兼约翰逊主席。

这个问题——我们的四肢是从哪里来的?——已经争论了100多年。1878年，德国科学家卡尔·格根鲍尔(CarlGegenbaur)提出，成对的鳍来自一个叫做鳃弓的来源，鳃弓是鱼身上用来支撑鳃的骨环。其他科学家支持侧鳍折叠假说，认为鱼顶部和底部的侧鳍是成对鳍的来源。

“这是一个非常活跃的研究课题，因为长期以来它一直是一项智力挑战，”莫西曼说。“许多大型实验室研究了我们四肢如何发育和进化的各个方面。”在这些实验室中，有Mosimann博士的同事和合著者TomCarney博士及其在新加坡南洋理工大学李光前医学院的团队。

追逐奇怪的细胞

对Mosimann来说，对四肢从何而来的调查是他的实验室在CUAnschutz医学园区进行的其他研究的一个分支。在他的实验室中，他的团队使用斑马鱼作为模型来了解从细胞到器官的发育过程。他和他的团队研究细胞如何决定它们的命运，寻找发育错误如何导致先天性异常，特别是心血管和结缔组织疾病的解释。

在此过程中，Mosimann和他的实验室团队观察了一种具有结缔组织细胞特征的特殊细胞类型，即与心血管系统共享发育起源的所谓成纤维细胞，如何迁移到斑马鱼特定发育中的鳍中。事实证明，这些细胞可能支持成对附属物进化的竞争理论之间的联系。

“我们一直都知道这些细胞很奇怪，”他说。“这些看起来像成纤维细胞的细胞进入了所谓的腹鳍，即发育中的斑马鱼腹部的鳍。类似的成纤维细胞没有爬进除胸鳍以外的任何其他鳍，这相当于我们的手臂。所以我们一直注意到这些奇特的成纤维细胞，多年来我们一直无法弄清楚它们是什么。”

Mosimann实验室开发了几种技术来追踪发育过程中的细胞命运，以追求他们的主要主题，即更好地理解胚胎细胞层(称为侧板中胚层)如何对不同器官做出贡献。侧板中胚层是心脏、血管、肾脏、结缔组织以及四肢主要部分的发育起源。

相当于我们手臂和腿的成对鳍是由侧板中胚层的细胞播种的，而其他鳍则不是。了解这些特殊的鳍如何变得更像肢体一直是一场长期争论的核心。

发展新理论

正在攻读博士学位的汉娜·莫兰(HannahMoran)。在Mosimann实验室的细胞生物学、干细胞和发育计划中，采用了一种追踪有助于心脏发育的侧板中胚层细胞的方法，以便研究人员能够追踪与肢体发育相关的特殊成纤维细胞。

“我的主要研究项目侧重于心脏的发育而不是肢体发育，”莫兰说，“但我已经采用了一种遗传技术来绘制早期心脏细胞的图谱，因此我们能够将其应用到绘制心脏细胞图谱中。腹鳍的神秘细胞来自。原来，它们也来自侧板中胚层。

这一重要发现为我们如何进化我们的胳膊和腿提供了一个新的拼图。越来越多的证据支持成对附属物进化的假设，称为双重起源理论。

“我们的数据很好地符合这个组合理论，但它也可以独立于侧鳍理论，”Mosimann实验室的博士后研究员RobertLalonde博士说。“虽然成对的附属物来自侧板中胚层，但这并不排除与未成对的侧鳍的古老联系。”

通过观察胚胎发育的机制并比较现有物种的解剖结构，像Mosimann的研究小组可以发展关于胚胎结构如何随时间进化或改变的理论。

“胚胎具有的特征仍然是古老的遗迹，它们尚未丢失，这提供了对动物如何进化的洞察力，”Mosimann说。“我们可以使用胚胎来了解更多关于今天仍然存在的特征，让我们能够回到过去，”Mosimann说。“我们看到身体具有形成双侧结构的基本内在倾向。我们的研究提供了一个分子和遗传拼图来解决我们如何拥有四肢。它增加了这个100多年的讨论，但是现在我们有了分子见解。”

国际合作

与全国和世界各地实验室的同事合作是该研究的另一个重要部分。这些科学家带来了额外的专业知识，并贡献了来自其他模型的数据，包括白鲟、非洲爪蛙和一种名为Ranchu的分尾金鱼变种，以研究胚胎发育。

“这篇论文中有实验室研究肌肉骨骼疾病、毒理学、纤维化。我们研究心血管、先天性异常、心肺异常、肢体发育，所有这些都与我们对侧板中胚层的兴趣有关，”Mosimann说。“然后在一起，你就会做出这样的基础性发现。这就是团队科学使我们能够做的事情不仅仅是部分之和的地方。”

对于这项研究的所有重要工作和意义，Mosimann团队认识到这是关键的一步，但并不是关于成对附属物辩论旅程的终点​​。

“我不会说我们已经解决了这个问题，甚至不能证明任何一个现有理论，”拉隆德说。“相反，我们为回答一个主要的进化问题提供了有意义的数据。”