UNIGE团队展示了特定修改基因表达如何导致羽毛取代鸡的鳞片

鳞片、刺、羽毛和毛发是脊椎动物皮肤附属物的例子，它们构成了一组非常多样化的微器官。尽管它们具有多种自然形式，但这些附属物在胚胎阶段共享早期发育过程。日内瓦大学 (UNIGE) 的两名研究人员发现了如何通过专门修改某些基因的表达，将通常覆盖在鸡脚上的鳞片永久性地转变为羽毛。这些结果发表在Science Advances杂志上 ，为研究使物种间的形式发生根本性进化转变的机制开辟了新的视角。

陆生脊椎动物的皮肤装饰着各种角质化的附属物，例如毛发、羽毛和鳞片。尽管物种内部和物种之间的形式多种多样，但皮肤附属物的胚胎发育通常以非常相似的方式开始。事实上，所有这些结构都是从在皮肤表面产生局部增厚并表达特定基因的细胞发展而来的。其中一个基因称为 Sonic hedgehog ( Shh )，它控制信号通路——一种允许在细胞内和细胞间传递信息的通信系统。Shh 信号参与多种结构的发育，包括神经管、肢芽和皮肤附件。

一个共同的祖先

UNIGE 科学学院遗传与进化系教授 Michel Milinkovitch 的实验室对产生脊椎动物皮肤附属物多样性的物理和生物过程很感兴趣。特别是，他的团队之前已经证明，毛发、羽毛和鳞片是从爬行动物的共同祖先那里继承来的同源结构。

科学家使用鸡胚的羽毛作为模型系统来了解皮肤附件的发育。虽然已知某些品种的鸡，如“Brahma”和“Sablepoot”品种，腿部和足背表面有羽毛，但这一特征的遗传决定论尚未完全了解。

永久更改的临时修改

由于负责这种转化的信号通路尚未完全确定，Michel Milinkovitch 的小组调查了 Shh 通路的潜在作用。“我们使用了经典的‘鸡蛋烛光’技术，用强大的手电筒照亮蛋壳内部的血管。这使我们能够用一种特异性激活 Shh 通路的分子精确地处理鸡胚胎，并将其直接注射到血液中，”Michel Milinkovitch 实验室的博士后研究员、该研究的共同作者 Rory Cooper 解释说。

两位科学家观察到，这种单一阶段的特定处理足以在通常覆盖有鳞片的区域触发大量幼年羽绒型羽毛的形成。值得注意的是，这些实验诱导的羽毛与覆盖身体其他部分的羽毛相当，因为它们是可再生的，随后会自动被成年羽毛取代。

在与注射“对照”溶液(不含活性分子)的胚胎进行比较后，RNA 测序分析表明，在注射该分子后，Shh 通路会立即并持续激活。这证实了 Shh 通路的激活是鳞片转化为羽毛的基础。

“我们的结果表明，进化的飞跃——从鳞片到羽毛——不需要基因组组成或表达的巨大变化。相反，一个基因Shh表达的瞬时变化 会产生一系列发育事件，导致羽毛而非鳞片的形成，”Michel Milinkovitch 说。这项研究最初侧重于研究鳞片和羽毛的发育，因此对于理解自然界中观察到的动物形态的巨大多样性的进化机制具有重要意义。