파도 아래의 포식자를 피하기 위해 날아 다니는 물고기는 물에서 튀어 나와 장거리를 활공 할 수 있습니다. 쌍의 가슴과 골반 지느러미는 다른 물고기보다 길고 단단하기 때문에 에어 포일 역할을합니다. 기발한 진화의 승리에서, 한때 엄격하게 수생 한 생물은 체형의 몇 가지 수정을 통해 일시적으로 공기 중 하나로 변형되었습니다.
최근 하버드 의과 대학의 Matthew Harris가 이끄는 한 연구원 그룹은 비정상적인 지느러미의 진화의 유전 적 기초를보고했습니다. 혁신적인 기술 조합을 통해 두 유전자의 변화가 날아 다니는 물고기의 특징적인 몸 모양을 만들기에 충분하다는 것을 발견했습니다. 그 돌연변이가 일반적인 수족관 어류 종에서 발생했을 때, 그 비율은 비슷한 방식으로 이동하기 시작했습니다.
해리스는“우리가 Evo-Devo에서 시작했을 때, 우리가 간단한 규칙으로 이러한 큰 점프를 할 수있을 것이라고 생각할 필요는 없었습니다. 이 연구는 현재 생물학 의 11 월 22 호에 실 렸습니다. .
이 발견은 부분적으로 주목할만한 것이며, 이들은 "형태 형성"화학 물질뿐만 아니라 조직 내에서 생체 전기 신호가 핀 및 기타 구조의 성장과 형태를 조절할 수 있다고 암시하기 때문에 부분적으로 주목할 만하다. 이 연구와 초기 연구는 또한 작은 유전 적 변화가 때때로 중요한 진화 적 결과를 초래하는 큰 형태 학적 변화를 일으킬 수있는 방법을 분명히 보여줍니다.
자연에서 헤아릴 수없는 다양한 동물 형태의 대부분은 자연 선택의 발달을 통제하는 유전자 프로그램에 대한 촉감에서 비롯됩니다. 조직 성장의 타이밍 및 속도를 조정하면 구조 또는 축소 또는 뼈를 삽입하고 삭제하여 종의 새로운 틈새를 열 수있는 새로운 적응을 만듭니다. 이 과정의 생물학적 연구 인 Evo-Devo는 오랜 역사를 가지고 있지만, 비교적 최근에만 연구원들이 특정 변화를 담당하는 유전자에 대한 조사를 시작할 수있었습니다.
해리 실험실의 연구원들은 비행 물고기의 체형의 유전 적 기초를 찾기 위해 35 종의 비행 물고기와 가까운 친척의 게놈을 시퀀싱하고 비교하여 시작했습니다. 종들 사이에서 비정상적으로 빠르게 변한 DNA 영역을 찾음으로써, 그들은 선택 압력 하에서 진화 한 것으로 보이는 유전자를 확인했다.
.이 비교 분석을 통해 연구원들은 새로운 신체 유형의 형성을 이끄는 주요 요인을 찾을 수있게되었다고 독일의 콘스탄츠 대학교의 진화 생물 학자 인 Joost Woltering은 지느러미와 사지 다양성의 진화와 발전에 관한 것이라고 설명했다. “그러나 유전자가 실제로 차이를 만드는 흡연 총인지 어떻게 알 수 있습니까? 당신은 날아 다니는 물고기에서 그것을 수정할 수 없습니다.”라고 그는 말했다. "실제로 그렇게 할 수있는 곳으로 돌아 가야합니다."
해리스의 팀은 그에 따라 얼룩말 물고기 ( Danio Rerio )로 향했다 ), 담수 미노는 수족관 애완 동물뿐만 아니라 연구 동물로 널리 보관되어 있습니다. 그의 팀은 화학 물질과 감마선을 사용하여 10,000 개 이상의 얼룩말 물고기 배아에서 무작위 돌연변이를 생성했습니다. 그들은 흥미로운 성인 특성이나 표현형을 위해 성인으로 살아남은 사람들을 찾았습니다. 얼룩말 물고기의 유전자 연구는 일반적으로 동물의 배아 발달에 초점을 맞추기 때문에이 접근법은 드문 일이었습니다.
당시 해리스 실험실의 박사후과 인 Jacob Daane과 그의 동료들은 또한 길이 지느러미가있는 이전에 알려진 얼룩말 물고기 돌연변이 체 모음을 선별하여 비행 물고기의 핀의 성장을 조절할 수있는 유전자 변이체에 대한 검색을 개선했습니다. 그들은 kcnh2a 에 두 개를 보유하고 있습니다 , 세포가 외막에 칼륨 채널을 과발현하는 돌연변이, lat4a , 세포가 아미노산 류신을 운반하는 능력을 비활성화하는 기능 상실 돌연변이.
연구원들은 얼룩말 물고기에서 류신 수송 체의 기능 상실 돌연변이로 모든 지느러미가 짧아지는 반면, 칼륨 채널의 과발현 돌연변이는 모든 지느러미가 길어지는 것으로 나타났습니다. 그 돌연변이 자체 중 하나는 서투른 물고기를 생성합니다. 그러나 두 돌연변이가 결합 될 때, 생성 된 얼룩말 물고기는 오랫동안 가슴 지느러미와 더 짧은 중간 핀, 정확히 날아 다니는 물고기의 형태입니다.
휴스턴 대학교에서 자신의 실험실을 출시 한 Daane은“일부 경우에도 단일 포인트 돌연변이는 당신에게 정말로 큰 지느러미를 줄 수 있습니다. "저는 주요 규모가 장기 크기의 변화로 인해 단순성 수준이있는 다른 많은 시스템을 모릅니다."
.플라잉 어류 계획은 다양한 계보에서 여러 번 독립적으로 진화했으며, 항상 류신 수송 체 및 칼륨 채널에서 동일한 유형의 돌연변이에 의존했습니다. 상이한 계통의 류신 수송 체 돌연변이는 동일하지는 않지만 동일한 아미노산 변화를 유발한다. Boston College의 어류 진화 발달 생물 학자 인 Sarah McMenamin은“자연은 몇 가지 다른 맥락에서 동일한 특정 유전자를 목표로 삼았습니다.
칼륨 채널 돌연변이가 지느러미에서 추가로 성장하는 방법은 여전히 미스터리입니다. 해리스는“이것은 세포 내부의 수용체에 결합하는 수용체-리간드 상호 작용과는 다릅니다. 오히려, 칼륨 채널의 과발현은 휴식 막 전위와 세포질의 pH를 변화시켜 세포를보다 활성화하고 반응시킨다. 결과적으로, FIN 세포는 일반적으로 뉴런 및 줄기 세포와 관련된 신호 전달 특성을 나타 내기 시작합니다. 해리스는 세포 신호 전달의 변화가 지느러미가 어떻게 자라는지를 바꿀 수 있다고 말했다. "이 모든 것이 새롭고 비옥 한 땅이며 사람들은 그것에 대해 많이 이해하지 못합니다."
연구원들이 칼륨 이온이 핀 세포 사이 (실제로 칼륨 채널 돌연변이를 부정하는 것을 막는 것을 방지했을 때, 그들은 핀의 성장을 막는 것을 발견했습니다. 그들은 발달의 일부 단계에서 지느러미의 세포가 핵이 떠 다니는 많은 핵이있는 단일 세포질 덩어리 인 넥시티움처럼 작동한다고 가정한다. 그렇다면 칼륨 이온은 전체 지느러미에 걸쳐 확장되는 전기장을 설치하여“일반적인 모르겐이나 분비 요인보다 장거리 신호 조정의 잠재력이 더 높아질 수 있습니다. (다른 연구자들은 또한 전기장이 조직 발달의 형태를 안내하는 데 저평가 된 역할을 할 수 있다는 증거를 보았습니다.)
이 새로운 연구는 2021 년 2 월 해리스 랩에서 나온 부속물의 진화에 대한 초기 흥미로운 발견을 바탕으로 Cell 의 Brent Hawkins, Katrin Henke 및 Harris의 연구 얼룩말 물고기의 조상들이 약 4 억 5 천만 년 전에 테트라 포드를 일으킨 혈통에서 4 억 5 천만 년 전에 분기 되었음에도 불구하고 단일 돌연변이는 얼룩말 물고기 지느러미에서 사지 패터닝에 대한 잠재적 인 잠재력을 깨울 수 있음을 보여 주었다. 다른 실험실의 두 가지 연구에서 온라인으로 출판 된 Cell 초기 분지 광선 어류와 아프리카 폐고의 게놈을보고 모든 뼈 물고기의 공통 조상에 사지를 건설 할 수있는 능력이 있다고 제안했습니다.
얼룩말 물고기의 가슴 지느러미는 일반적으로 뼈의 "어깨"와 직접 설명하는 뼈의 뼈 요소, 근위 방사형의 단 하나의 층으로 신체에 연결됩니다. 그러나 Harris 팀이 유전자 스크린에서 발견 한 돌연변이 얼룩말 물고기에서, 두 개의 새로운“중간 방사형”뼈가 근위 방사형과 관절을 형성했습니다. 연구원들은 심지어 새로운 뼈에 근육이 붙어있는 것을 발견했습니다.
호킨스는“단 하나의 돌연변이만으로도 우리는이 새로운 뼈 조직 조각을 만들뿐만 아니라 잘 통합되고 패턴 화 된 새로운 구조를 만들고있다”고 말했다. 수억 년이 넘는 진화에 도달 한 이런 종류의 후퇴 또는 아타 타즘은 지느러미와 사지를 만드는 데있어 유전자“문법”을 어떻게 공유했는지를 보여줍니다.
McMenamin은“해리스 연구소 가이 연구로 보여준 것은 내 골격에서 이러한 정교함을 만들 수있는 유전 적 잠재력이 여전히 현대의 광선으로 된 물고기에 유지되며 더 정교한 구조를 구축 할 수있는 발달 가능성이 있다는 것입니다.
새로운 연구는 다른 실험실에서 계속 발전하여 고도로 보존 된 메커니즘의 유전 적 영향 하에서 지느러미와 사지가 발생하는 지점을 더욱 강화합니다. 11 월, 국립 과학 아카데미의 절차에 관한 논문 사지 사지에서 숫자의 형성과 핀의 외부 가장자리 구조를 조절하는 유전자를 확인했습니다. 같은 달, 현재의 생물학 에 대한 연구 길쭉한 뒷발의 뒷부분은 jerboas (특별한 속도로 뛰어 올라, 건너 뛰고, 달릴 수있는 작은 이중 설치류)가 날아 다니는 물고기의 지느러미에서 볼 수있는 반응성 성장과 달리 사지에서 불균형 한 뼈 성장을 유발하는 유전자에서 비롯된 것으로 밝혀졌습니다.
.제임스 매디슨 대학교 (James Madison University)의 진화 발달 생물 학자 인 마커스 데이비스 (Marcus Davis)에게 사지와 지느러미가 공유 된 발달 유전 적 기초를 가지고 있다는 증거의 축적은“정말 흥미로운 질문으로 이어진다. 지느러미와 사지의 발달 프로그램은 신체의 다른 부분을위한 더 고대 개발 프로그램에서 수정되었을 것입니다. "그것은 어딘가에서 왔으며 단순히 밤새 건설되지 않았다"고 그는 말했다. "따라서 신체 건물의 다른 부분은 시간이 지남에 따라 해당 부속기 프로그램을 구축하기 위해 수정 되었습니까?"
Fish-Teprapod 전환을 연구하는 Rutgers University의 발달 생물 학자 인 Tetsuya Nakamura는 쌍을 이루는 지느러미와 팔다리를 건설하는 유전자 프로그램이 쌍을 이루는 지느러미보다 더 고대 인 등 지느러미의 발달에서 비롯된 것으로 의심합니다. 약 50 억 년 전에 처음 진화 한 멍청한 물고기 그룹 인 Lampreys는 등과 항문 지느러미가 있지만 쌍의 지느러미는 없습니다.
그러나 이질적인 부속물과 신체 모양은 동일한 고대 유전자 네트워크에 뿌리를 가지고 있지만, 그 형태들 사이의 변화는 주요 전환 이었다는 Woltering은 지적했다. "테라 포드 사지는 진화론적인 참신입니다. 나는 확실히 믿습니다." 결과적으로 이러한 변경 사항이 진화 할 수있게 해주는 것에 대해 배우는 데 많은 것이 남아 있습니다.
데이비스가“비정형적이고 현대적인”것으로 칭찬하고 맥 메나 민 (McMenamin)은“창의적”과“투르 드 포스”로 환영 한 해리스 실험실에서 사용 된 비 전통적인 접근법은 Evo-Devo 연구자들이 답을 찾을 수있는 한 가지 방법을 지적했다. 발달 프로그램을 조절하는 유전자의 사냥에서, 연구는 종종 동종 측정법에 대한 인슐린 신호 및 h 과 같은 특정한 용의자를 본다. ox 사지 및 지느러미 패터닝을위한 유전자. 그러나 해리스 팀은 비교 유전체학 및 대규모 유전자 스크린을 사용하여 흥미롭고 관련성있는 표현형을 가진 물고기를 식별하여보다 불가지론 적 접근 방식을 취했습니다. McMenamin은“그들은 그 표현형을 이끌었던 곳을 완전히 기꺼이 따라야했다”고 McMenamin은 말했다.
Harris는“유기체에 대한 올바른 질문을 시작하면 예기치 않은 일이 나옵니다. 고전적인 인구 수준의 연구를 수행 할 때 기대하지 않는 것들”이라고 Harris는 말했습니다.
