波の下の捕食者から逃れるために、トビウオは水中から飛び出し、長い距離を滑空することができます。これは、対になっている胸びれと腹びれが、他の魚よりも長くて固く、翼として機能するためです。風変わりな進化の勝利で、かつては完全に水生だった生物が、体型にいくつかの変更を加えることで、一時的に空中浮遊する生物に変化しました。
最近、ハーバード大学医学部とボストン小児病院のマシュー・ハリスが率いる研究者グループが、これらの異常なヒレの進化の遺伝的基盤を報告しました。技術の革新的な組み合わせにより、彼らはわずか 2 つの遺伝子の変化で十分にヒレが作られることを発見しました。トビウオの特徴的な体型。これらの突然変異が一般的な水族館の魚の種に発生したとき、その割合は同様の方法で変化し始めました.
「私たちがevo-devoを始めたとき、これほど単純なルールでフォームを大きくジャンプできるとは思いもしませんでした」とHarris氏は言います。この研究は、Current Biology の 11 月 22 日号に掲載されました .
この発見は、発達中の組織内の生体電気シグナルが、「形態形成」の化学シグナルだけでなく、発達中のヒレやその他の構造の成長と形状を調節できることを示唆しているため、注目に値します。この研究と以前の研究はまた、小さな遺伝的変化が時に重要な進化的結果をもたらす大きな形態学的変化をどのように生み出すことができるかを明確に示しています.
自然界における動物の形態の計り知れない多様性の多くは、発生を制御する遺伝的プログラムを自然淘汰がいじくり回した結果です。組織の成長のタイミングと速度を微調整することで、構造を伸ばしたり縮めたり、骨を挿入したり削除したりして、種の新しいニッチを開く新しい適応を作成できます。このプロセスの生物学的研究である Evo-devo には長い歴史がありますが、研究者が特定の変化の原因となる遺伝子の調査を開始できるようになったのは比較的最近のことです。
トビウオの体型の遺伝的基盤を探すために、ハリス研究所の研究者は、35 種のトビウオとその近縁種のゲノムを配列決定して比較することから始めました。種間で異常に急速に変化した DNA の領域を探すことで、彼らは選択圧力の下で進化したと思われる遺伝子を特定しました。
この比較分析により、研究者は新しい体型の形成を促進する主な要因を探すことができたと、ドイツのコンスタンツ大学の進化生物学者であり、ヒレと四肢の多様性の進化と発達に取り組んでいる Joost Woltering は説明しました。 「しかし、遺伝子が本当に違いを生む決定的な武器であるかどうかをどのように確認するのでしょうか?トビウオではそれを修正することはできません」と彼は言いました。 「実際にそれができるものに目を向ける必要があります。」
そこでハリスのチームはゼブラ フィッシュ (ダニオ レリオ ）、水族館のペットとしてだけでなく、研究動物としても広く飼われている淡水ミノー。彼のチームは、化学物質とガンマ線を使用して、10,000 を超えるゼブラフィッシュの胚にランダムな突然変異を作成しました。彼らは、成体になるまで生き残った個体を調べて、興味深い成体の特徴や表現型を探しました。ゼブラフィッシュの遺伝子研究は通常、動物の胚発生に焦点を当てているため、このアプローチは珍しいものでした。
当時ハリス研究所のポスドクであったジェイコブ・デーンと彼の同僚は、トビウオのヒレの成長を調節している可能性のある遺伝子変異体の検索を改良するために、長いヒレを持つ以前に知られていたゼブラフィッシュの突然変異体のコレクションもスクリーニングしました。 kcnh2a の 2 つに狙いを定めました 、細胞が外膜でカリウムチャネルを過剰発現させる突然変異、および lat4a 、アミノ酸ロイシンを輸送する細胞の能力を無効にする機能喪失突然変異。
研究者らは、ゼブラフィッシュでは、ロイシントランスポーターの機能喪失変異がすべてのヒレを短くし、カリウムチャネルの過剰発現変異がすべてのヒレを長くすることを示した.これらの変異のいずれかが単独で不器用な魚を生み出します。しかし、この 2 つの変異を組み合わせると、結果として得られるゼブラフィッシュは、一対の長い胸鰭と短い正中鰭を持ち、まさにトビウオの形をしています。
「場合によっては、単一の点突然変異で本当に大きなひれができることがあります」と、最近ヒューストン大学で自分の研究室を立ち上げた Daane は言いました。 「オルガンのサイズを大きく変更するという点で、これほどシンプルなシステムは他にあまり知りません。」
トビウオのボディプランは、さまざまな系統で数回独立して進化し、常にロイシントランスポーターとカリウムチャネルの同じタイプの突然変異に依存していました.異なる系統のロイシントランスポーター変異は同一ではありませんが、同じアミノ酸変化を引き起こします。これは、系統が同じ遺伝的トリックに独立してヒットし、この形状を進化させたことの手がかりです. 「自然は、いくつかの異なる状況で同じ特定の遺伝子を標的にしています」と、ボストン大学の魚の進化発生生物学者であるサラ・マクメナミンは言いました.
カリウムチャネルの突然変異がヒレの余分な成長をどのように引き起こすかは、まだ謎です. 「これは、細胞の内側にある受容体に物が結合し、下に移動して何かの転写を引き起こす受容体-リガンド相互作用とは異なります」とHarris氏は述べています。むしろ、カリウム チャネルの過剰発現は、細胞質の静止膜電位と pH を変化させ、細胞の活性と応答性を高めます。その結果、fin 細胞は通常、ニューロンや幹細胞に関連するシグナル伝達特性を示し始めます。ハリス氏によると、細胞シグナル伝達の変化がヒレの成長方法を変える可能性があるが、それはまだ推測の域を出ない. 「これらはすべて新しい肥沃な土地であり、人々はそれについてあまり理解していません」と彼は言いました.
カリウム イオンがヒレ細胞間を通過するのを防ぐと、カリウム チャネルの変異が無効になり、ヒレの成長が妨げられることがわかりました。彼らは、発生のいくつかの段階で、ヒレの細胞が、多くの核が浮遊している単一の細胞質塊であるシンシチウムのように機能すると仮定しています。もしそうなら、カリウムイオンはヒレ全体に広がる電場を作り出している可能性があり、「典型的なモルフォゲンや分泌因子よりも長距離シグナル伝達協調の可能性が高まる」とHarris氏は述べた. (他の研究者も、電場が発達中の組織の形態を導く上で過小評価されている役割を果たしている可能性があるという証拠を見てきました。)
新しい研究は、2021 年 2 月にハリス研究所からもたらされた付属肢の進化に関する以前のエキサイティングな発見に基づいています。ブレント ホーキンス、カトリン ヘンケ、ハリスによる Cell での研究 ゼブラフィッシュの祖先は、後に四足動物を生み出す系統から約4億5000万年前に分岐したにもかかわらず、単一の突然変異がゼブラフィッシュのひれの四肢パターン形成の潜在的な可能性を目覚めさせることができることを示しました. Cell でこの 1 つと共にオンラインで公開された他の研究所からの 2 つの研究 彼らは、初期の分岐条鰭魚とアフリカ肺魚のゲノムを調べ、すべての硬骨魚の共通の祖先に四肢を構築する能力が存在することを示唆しました.
ゼブラフィッシュの胸鰭は、通常、魚の「肩」と直接関節を成す近位橈骨と呼ばれる骨要素の 1 つの層だけで体に接続します。しかし、ハリスのチームが遺伝子スクリーニングで発見した突然変異ゼブラフィッシュでは、2 つの新しい「中間橈骨」骨が近位橈骨と関節を形成していました。研究者たちは、新しい骨に付着した筋肉さえ発見しました.
「したがって、たった 1 つの突然変異で、この新しい骨組織を作るだけでなく、よく統合され、よくパターン化されたまったく新しい構造を作ることになります」と Hawkins 氏は言います。この種の先祖返り、またはアタビズムは、何億年もの進化をさかのぼり、ひれや手足を作るための遺伝的「文法」がいかに古く、共有されているかを明らかにします.
「ハリス研究室がこの研究で示したのは、内骨格でこれらの精緻化を行う遺伝的可能性が、現代の条鰭のある魚でもまだ保持されており、より精巧な構造を構築する発達の可能性があるということです」とマクメナミンは言いました。 /P>
他の研究室からの新しい研究が続々と寄せられており、高度に保存されたメカニズムの遺伝的影響下でヒレや手足が発達するという点がさらに強化されています。 11 月、Proceedings of the National Academy of Sciences に論文が掲載されました。 テトラポッドの手足の指の形成とヒレの外縁の構造の両方を調節する遺伝子を特定しました。その同じ月、Current Biology の研究 トビネズミの細長い後足 - トビウオのひれに見られる相対成長とは異なり、手足の不均衡な骨の成長を引き起こす遺伝子に起因することが明らかになりました.
ジェームズ・マディソン大学の進化発生生物学者であるマーカス・デイビスにとって、手足とヒレが共通の発生遺伝的基盤を持っているという証拠の蓄積は、「本当に最も興味深い質問につながります。それは、元の発生プログラムが一体どこから来たのかということです.」ひれと手足の発達プログラムは、体の他の部分のさらに古い発達プログラムから修正された可能性があります。 「それはどこかから来なければならず、一晩で簡単に構築されたわけではありません」と彼は言いました. 「では、その付属プログラムを構築するために、身体を構築する他のどの部分が時間の経過とともに変更されましたか?」
ラトガース大学の発生生物学者で、魚類から四肢動物への移行を研究している中村哲也氏は、対になったひれと四肢を構築するための遺伝的プログラムは、対になったひれよりもさらに古い背鰭と臀鰭の発達に由来するのではないかと考えています。ヤツメウナギは、約 5 億年前に初めて進化した無顎魚のグループで、背びれと尻びれがありますが、対になったひれはありません。
しかし、異なる付属肢や体型は同じ古代の遺伝的ネットワークに根ざしているにもかかわらず、それらの形態間の変化は大きな変化であったと Woltering は指摘している。 「四足動物の肢は進化的に目新しいものです。私はそれを確信しています」と彼は言いました。したがって、何がこれらの変化を進化させたのかについて、学ぶべきことがたくさん残されています。
ハリス研究所で使用された型にはまらないアプローチは、デイビスが「非定型的で現代的」と称賛し、マクメナミンが「創造的」で「力作」と称賛したもので、進化と進化の研究者が答えを見つける可能性のある方法の 1 つを示しています。発達プログラムを制御する遺伝子を探す際、研究はしばしば、アロメトリーやHのインスリンシグナル伝達など、特定の通常の容疑者に目を向けます。 雄牛 手足とひれのパターン形成のための遺伝子。しかし、ハリスのチームは、比較ゲノミクスと大規模な遺伝子スクリーニングを使用して、興味深い適切な表現型を持つ魚を特定する、より不可知論的なアプローチを採用しました。 「彼らは、その表現型が彼らを導いたところに進んで従わなければなりませんでした」とマクメナミンは言いました.
「生物に正しい質問をし始めると、予想外のことが明らかになります。これは、従来の集団レベルの研究では予想できないことです」とハリス氏は述べています。
