Vây dài của cá đuối gai độc - kết quả của việc thêm một điểm tăng trưởng mới • Elena Naimark • Tin khoa học về "Yếu tố" • Sinh học phát triển, Di truyền học, Ichthyology

Vây dài của cá đuối gai độc – kết quả của việc thêm một điểm tăng trưởng mới

Mẫu màu cụ thể của độ dốc bình thường (hoặc hedgehog) Leucoraja erinacea: Thuốc nhuộm xanh Alcian truyền đạt màu xanh đến các mô sụn, và màu đỏ alizarin, liên kết với canxi phosphat, thuốc nhuộm màu đỏ. Rõ ràng là vây ngực của cá đuối gai độc với các tia sụn được kéo dài từ đuôi đến đầu. Hình © 2013 Adam Summers từ trang web southernfriedscience.com

Các vây ngực dài của giày trượt là một ví dụ về cực chi cặp cực kỳ chuyên biệt trong động vật có xương sống. Họ cung cấp, trong số những thứ khác, các sườn của một vận động viên bơi dưới cơ động. Trong phôi thai, trong sự thô sơ của những vây bất thường này, các nhà tổ chức phát triển cổ điển tương tự cũng hoạt động như trong primordia của các chân của cặp động vật có xương sống khác. Nhưng đồng thời, họ tìm thấy một điểm tăng trưởng bổ sung – người tổ chức thứ hai của phân chia tế bào của vây phôi. Ở trung tâm tăng trưởng bổ sung này, nó không phải là các biến thể gen mới hoạt động, mà là các yếu tố tăng trưởng chi của chân tay nổi tiếng. Hóa ra hai trung tâm tăng trưởng tương tự về hình thái và chức năng, nhưng không tương đồng trong việc bảo tồn di truyền của chúng. Cái nào cũ hơn và làm việc cho tổ tiên của hàm, các nhà khoa học thấy khó trả lời.

Sự hình thành chân tay trong tứ bộ từ cá sang động vật có vú là một câu hỏi cực kỳ thú vị cho những người tiến hóa. Ngoài việc khám phá những đổi mới quan trọng cần thiết để làm chủ đất đai, sự phát triển của chân tay cung cấp một ví dụ tuyệt vời về các chuỗi di truyền bảo thủ. Để hiểu những điều cơ bản của sự tiến hóa của chi, điều quan trọng là phải hiểu cách các tầng bảo thủ này hoạt động và thay đổi, tổ chức xây dựng các chi của hình thái và mục đích khác nhau. Xem xét các yếu tố di truyền bảo tồn, tái tạo đang được phát triển cho sự tiến hóa của nhiều nhóm tetrapod (xem: Tốc độ giảm ngón tay trong archosaurs phụ thuộc vào gen điều chỉnh sự phát triển phôi thai, Elements, 10/17/2013, và sự hình thành các ngón tay và tái sinh trong tetrapods cổ đại xảy ra tương tự như trong salamanders hiện đại, "The Elements", 11/02/2015). Đây là những thác điều hòa (xem sự phát triển Limb) gắn với gen sonic hedgehog (shh).

Gene shh nổi tiếng không chỉ cho tên vui tươi của mình, mà chủ yếu là vì các chức năng cơ bản quan trọng nhất mà anh ta thực hiện trong cơ thể của bất kỳ động vật nào. Nghiên cứu của nhóm Neil Shubin từ Đại học Chicago liên quan đến một trong những chức năng của gen này, cụ thể là, đánh dấu phía trước của chân tay, kích thích sự tăng trưởng và hình thành các ngón tay. Shh được thể hiện ở phần sau của chồi chân tay, cái gọi là sườn núi ectodermal đỉnh, nhìn thấy sườn núi ectodermal Apical (xem thêm vấn đề Chân trong vòng tay). Độ dốc của sản phẩm trong biểu thức của nó được hỗ trợ bởi vòng lặp phản hồi giữa shh và yếu tố tăng trưởng nguyên bào sợi (FGF); Tùy thuộc vào độ dốc này, biểu hiện gen HOX cụ thể được bật trong chồi chi (xem hình 3). Shh và chuỗi tín hiệu tương ứng "SHH – Yếu tố tăng trưởng nguyên bào sợi (FGF) – gen HOX" được tìm thấy trong cá teleost và tất cả các tetrapod.

Trong các tác phẩm trước đây của nhóm Nile Shubin nó đã được chứng minh rằng nó cũng có mặt trong tất cả các sụn cá. Trong đó, tầng này được thể hiện ở phần sau của đỉnh đỉnh và điều chỉnh sự phát triển của vây ghép và pterygopodia, cơ quan phối hợp của cá sụn đực (xem R. Dahn và cộng sự, 2007. Chức năng Sonic hedgehog của ghép nối). Vì vậy, nó đã được chứng minh rằng con đường tín hiệu với người biểu diễn trung tâm shh ông có một tổ tiên chung của tất cả các cổ hàm và đã tham gia tổ chức các cơ quan ghép nối của phong trào.

Bây giờ nhóm Neil Shubin đã đưa ra câu hỏi hợp lý tiếp theo. Nếu các con đường báo hiệu là bảo thủ, thì làm thế nào để các chân tay chuyên?Đó là điều tự nhiên (và hiển nhiên) rằng trong hầu hết các trường hợp, sự đổi mới là kết quả của việc thiết lập một thác tín hiệu bảo thủ, thêm các yếu tố báo hiệu mới vào nó (xem Gen mới phát hiện đã giúp hiểu tại sao quadrupeds đầu tiên là đa ngón tay, Elements, 09.07.2010). Phản ánh trong mạch này, các nhà khoa học đã phá hủy một ví dụ về chuyên môn cực đoan, xác nhận khả năng tổ chức các dấu hiệu mới bằng cách thêm các yếu tố điều tiết mới. Nhưng mặt khác, họ phát hiện ra một điều bất ngờ.

Họ đã làm việc với phôi cá đuối gai độc (Leucoraja erinacea), phục vụ chúng như một mô hình nghiên cứu tốt trong các nghiên cứu trước đây. Ông là một thành viên của đơn vị Rajiformes, trong đó vây ngực được kéo dài từ đầu đến đuôi. Những "chân trước" dài không được tìm thấy trong các động vật có xương sống. Nói cách khác, đây là một ví dụ về chuyên môn cực đoan. Như trong trường hợp này, quy trình thác đã hoạt động shh?

Sử dụng màu sắc cụ thể, các nhà khoa học đã xác định một mô hình biểu hiện của các gen khác nhau trong quá trình phát triển phôi của vây ngực. Các vây ngực được hình thành rõ ràng nhất từ ​​giai đoạn 29 đến 32 của sự phát triển (xem video).Phôi của chính xác những lứa tuổi này được đưa ra để nghiên cứu, kiểm tra một cách riêng biệt sự biểu hiện của gen ở phần sau, giữa và trước của các rudiments của vây (Hình 1). Sự phân chia này thành ba phần là rất hợp lý, bởi vì nó cho phép bạn xem xét đúng mức độ biểu hiện của các gen điều chỉnh khác nhau.

Hình 1. Màu sắc của các nguyên tố sụn màu xanh alcian trong phôi stingray ở 30-32 giai đoạn phát triển: vây ngực và vây bụng được kéo dài dọc theo trục cơ thể. Ba thành phần xương chính của vây ngực được chỉ định: pro – propterygium, mes – mesopterygium, met – metapterygium. Hình ảnh từ bài viết trong thảo luận PNAS

Nó bật ra rằng nhiều yếu tố quy định, mà nên được phân phối trên gradient từ phía sau đến phần trước của anlage, được phân bố đều dọc theo toàn bộ anlage dài của vây ngực. Bao gồm yếu tố wnttrong trường hợp cổ điển, cùng với FGF có liên quan đến việc duy trì độ dốc của các chất điều hòa tăng trưởng của các chi và kích thích sự phân chia tế bào. Để hiểu được lý do, một chất ức chế được thêm vào bể cá với phôi tại một thời điểm nhất định của sự phát triển của chúng. wnt. Kết quả là, phôi không phát triển một vây dài bình thường vào đúng thời điểm (Hình 2).Thay vào đó, nó quay ra một vây ngắn, không có nhánh trước, đi tới đầu. Phần xương phía trước của vây, protopterygium, cũng được rút ngắn. Và mặt sau của vây phát triển bình thường.

Hình 2 Ở giai đoạn 24, một chất ức chế sản phẩm WNT đã được thêm vào nước trong bể cá. Kết quả là, phần trước của vây ngực không phát triển, proterygia và mesopteregia hóa ra lại bị rút ngắn. Các giai đoạn 32 của phôi bình thường được mô tả (bên trái) và với một chất ức chế WNT (bên phải). Hình từ bài viết được đề cập PNAS

Các nhà khoa học đã kết luận rằng các phần sau và trước của vây ngực dài phát triển dưới sự chỉ huy của các trụ sở di truyền khác nhau. Bộ phận phía sau được chỉ huy bởi một tổng hành dinh cổ điển do shh. Nhưng ở phía trước có một người chỉ huy mới – người điều tiết wnt. Việc giải mã cẩn thận hình ảnh của biểu thức trong phần trước đã đưa ra một danh sách gần đúng về các thành viên của tổng tư lệnh này. Chúng bao gồm bộ điều chỉnh giai đoạn tín hiệu Hox-Fgf7-Wnt3. Họ cùng nhau tổ chức một đỉnh núi bổ sung đỉnh, nơi phân chia tế bào hoạt động xảy ra (Hình 3). Nhân tiện, trung tâm mới này có thể nhìn thấy rõ ràng trên các phần mô học: cả hai trung tâm cũ và mới trông giống như hai mô dày giống hệt nhau.Nhưng sự giống nhau này là hình thái và chức năng, từ phía di truyền – đây là hai dạng không tương đồng.

Hình 3 Sơ đồ biểu diễn của các quy định của sự tăng trưởng mô trong các rudiments của vây ngực. Hai đỉnh xác ectodermal được hiển thị, mỗi cái có bộ điều chỉnh riêng. Hình từ bài viết được đề cập PNAS

Điều thú vị là, những người tham gia trong tầng thác tín hiệu phía trước này, trên thực tế, nổi tiếng. Chúng hoạt động ở đáy của chồi trước của các tetrapod khác, nơi mà một vai nên hình thành. Và ở đây, ở phía trước của chồi vây, chúng cũng có ích, hữu ích cho việc xây dựng một phần của vây dài. Hơn nữa trong lịch sử tiến hóa, nhóm nghiên cứu này đã sử dụng các kỹ năng “chuyên nghiệp” của mình trong việc tổ chức các yếu tố xương cơ bản của tiền thân.

Các nhà khoa học tự hỏi những gen này là gì shh, wnt và các biến thể của nó phục vụ như là một nguyên mẫu của người tổ chức bắt đầu cho việc xây dựng chi. Có thể là shhsau đó một đỉnh núi bổ sung đỉnh của giày trượt là một sự đổi mới chuyên môn cao, và nhóm di truyền của nó là một loại nhân viên thu hút cho công việc tạm thời. Nhưng nếu người tổ chức ban đầu là wntthì đỉnh núi bổ sung trở thành sự áp đặt lại cơ chế tổ tiên cổ xưa và cổ điển shh chồng lên nó với sự cải thiện và ổn định cơ chế hình thành chân tay. Lựa chọn cuối cùng này, các nhà khoa học đang thảo luận liên quan đến sự hiện diện bắt buộc của các tùy chọn wnt trong sự thô sơ của chân tay trong tất cả các loài động vật với một cặp chi, không có ngoại lệ. Nhưng theo cách này hay cách khác, việc chuyên môn hóa các vây ngực được tổ chức với sự giúp đỡ của một trung tâm phát triển mới. Đây là một tình huống hoàn toàn bất thường đối với động vật có xương sống. Đối với điều này, nó là cần thiết để huy động và tái kết hợp các gói điều chỉnh đã tồn tại của các gen. Sự phát triển của tất cả các dây chằng điều tiết này – mà các tùy chọn là nguyên thủy và tiên tiến – vẫn còn được nhìn thấy.

Nguồn: Tetsuya Nakamura, Jeff Klomp, Joyce Pieretti, Igor Schneider, Andrew R. Gehrke và Neil H. Shubin. Cơ chế phân tử dưới sự thích nghi đặc biệt của vây batoid // PNAS. 2015. Phiên bản đầu tiên. Doi: 10.1073 / pnas.1521818112.

Xem thêm:
1) Các bộ phận phát triển của tủy sống lần đầu tiên được điều chỉnh tập trung, và sau đó được chuyển sang tự quản, “Các yếu tố”, 10/01/2014.
2) Tốc độ giảm ngón tay trong Arkhosaurus phụ thuộc vào các gen điều chỉnh sự phát triển của phôi thai, “Yếu tố”, 17/10/2013.
3) Ý tưởng của Alan Turing đã giúp hiểu cơ chế phát triển của các ngón tay trong động vật có xương sống, "Elements", 18/12/2012.
4) Chân trong tay (nhiệm vụ), "Yếu tố", 11.12.2011.
5) Chương trình di truyền cho sự phát triển của các ngón tay của cánh tương ứng với lý thuyết "khủng long" của nguồn gốc của các loài chim, "Elements", 2.10.2011.
6) Cơ chế mà các chi của phôi gà phát triển, “Các nguyên tố”, ngày 14/6/2011, được xác định.

Elena Naimark


Like this post? Please share to your friends:
Trả lời

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: