遗传性GPS动物发育系统解释了为什么四肢从躯干而不是头部生长

为什么人类看起来像人类,而不是像黑猩猩?尽管我们与黑猩猩共享99%的DNA,但我们的脸和身体看起来彼此完全不同。

为什么人类看起来像人类,而不是像黑猩猩?尽管我们与黑猩猩共享99%的DNA,但我们的脸和身体看起来彼此之间的不同。

尽管人体的形状和外观在进化过程中已经明显改变,但某些控制不同物种定义特征的基因令人惊讶地没有。作为一名研究进化和发展的生物学家,我致力于多年来思考基因实际上使人和其他动物的外观如何。

我实验室的新研究关于这些基因的工作方式已经阐明了数十万年内如何保持不变的基因如何随着不同物种的进化,仍然可以改变它们的外观。

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– STEMLORD(@upulie)2019年11月15日,黑头与尾巴

在生物学中,一个身体计划描述了动物的身体如何从头到脚或尾巴组织。所有具有双边对称性的动物,这意味着它们的左侧和右侧是镜像,共享类似的身体计划。例如,头部在前端形成,中部形成四肢,后端形成尾巴。

同一物种中的动物通常具有相同的对称性。人类和山羊具有双边对称性,这意味着它们可以分为彼此的镜像。 CNX OpenStax/Wikimedia Commons,CC

HOX基因在制定身体计划中起着重要作用。这组基因是参与解剖学发育的基因的子集,称为同源基因基因。它们的作用像遗传GPS系统,确定每个身体部门在发育过程中会变成什么。他们通过控制其他指导特定身体部位的基因来确保您的四肢从躯干而不是从头部生长。所有动物都有HOX基因并在类似的身体区域中表达它们。此外,这些基因在整个进化史中没有改变。这些基因如何在如此庞大的进化时间跨度中保持如此稳定,而在动物发育中起着如此关键的作用?

过去的爆炸

1990年,分子生物学家威廉·麦金尼斯(William McGinnis)和他的研究小组想知道,来自一个物种的HOX基因是否在另一个物种中可能相似。毕竟,这些基因在从果蝇到人类和小鼠的动物中具有类似的身体区域活跃。

这是一个大胆的主意。作为类比,考虑汽车:大多数汽车零件通常在不同的品牌之间不可互换。第一辆汽车仅在100年前发明。将其与苍蝇和哺乳动物相提并论,他的最后一个共同的祖先在5亿年前居住。几乎不可想象的是,在如此庞大的一段时间内,从不同物种彼此差异的基因交换基因可能会起作用。

尽管如此,麦金尼斯和他的团队继续进行实验,并将老鼠或人类Hox基因插入水果苍蝇中。然后,他们激活了身体错误的相应区域中的基因 – 例如,放置hox基因,该基因告诉人类的腿在果蝇头部的前部发育。放错位的身体部位表明小鼠或人Hox基因的功能就像果蝇自己的基因所具有的一样。值得注意的是,小鼠和人Hox基因都将果蝇触角转化为腿。这意味着数百万年后,人类和小鼠基因提供的位置信息仍在苍蝇中得到认可。

HOX基因如何真正起作用?

那么,下一个大问题是这些HOX基因如何确定不同人体区域的身份?

关于HOX基因的工作方式,已经有两个思考。第一个称为启发性假设,提出这些形状控制基因作为“主”调节基因,可提供有关如何发展不同身体部位的人体指示。

第二个由麦金尼斯(McGinnis)提出的,假设HOX基因提供了标记体内特定位置的位置代码。基因可以使用这些代码在这些位置产生特定的身体结构。在进化过程中,特定的身体部位以特定的HOX基因的控制,最能使生物体的生存最大化。这就是为什么苍蝇在头上发出触角而不是腿部的原因,而人类的骨头在下面,而不是脖子上方的骨头。

在《科学杂志》杂志上发表的一项研究中,麦金尼斯和我本人Ankush Auradkar的受训者将这些假设对水果苍蝇进行了测试。EAVEHOX基因与特定的身体部位有关。例如,长鼻基因(例如PB)指导果蝇的口径形成。 AntonioQuesadaDíaz/Wikimedia Commons

奥拉德卡(Auradkar)专注于一个称为obsoscipedia(PB)的果蝇基因,该基因指导蝇的形成。他使用基于CRISPR的基因组编辑来代替普通实验室果蝇,果蝇果蝇(Drosophila Melanogaster)或D. Mel的PB基因,其夏威夷堂兄,果蝇Mimica或D. Mim。如果指导性的假设是正确的,D。Mel将形成D. Mim的烤架样口。相反,如果麦金尼斯的假设是正确的,那么D. Mel的口气机应该保持不变。

正如麦金尼(McGinnis)所预测的那样,D。mim基因的苍蝇并未发展为D. Mim的烤架样特征。然而,D。Mim的一个特征确实渗入了:通常从脸上伸出的感觉器官,而D. Mel则与嘴平行。这表明PB基因既可以为口腔形成的位置以及有关如何形成嘴的指示提供标记。尽管主要结果有利于麦金尼的理论,但这两个假设在很大程度上都是正确的。

奥拉德卡(Auradkar)还想知道PB基因如何确定上颌par的方向。它可以通过更改其编码的蛋白质来做到这一点,从而执行基因给出的指示。或者它可能改变了它控制其他基因的方式,就像确定何时何地打开基因的光开关一样。通过更多的测试,他发现这种D. miM特征是由于改变了pal的区域中PB基因的强烈强烈打开而产生的,而不是蛋白质本身的变化。这一发现再次凸显了HOX蛋白功能超出进化的显着保存 – 遗传硬件在一种物种中也像另一种物种一样奏效。Auradkar还发现HOX基因彼此相互进化。一个HOX基因可能比另一个基因更为主导,并确定某种物种最终将形成哪些特征。

这些实验表明,即使HOX基因相互作用的微妙变化也会对生物体的体形产生重大影响。

HOX基因和人类健康

这些飞行研究对人意味着什么?

首先,它们为各种物种的身体计划如何在进化过程中变化提供了一个窗口。了解Hox基因如何操纵动物的发展以促进其生存可以阐明动物为何表现。类似的机制可以解释为什么人类不再看起来像黑猩猩。

其次,这些见解可能会更好地了解人们如何在人们中出现先天性出生缺陷。破坏HOX基因正常功能的变化或突变可能导致唇裂或先天性心脏病等疾病。使用基于CRISPR的基因组编辑的新疗法可以用来治疗这些经常使人衰弱的疾病,包括肌肉营养不良。这篇文章是根据Creative Commons许可从对话中重新出版的。阅读原始文章。

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