Bowfin遗传学揭示旧鲨鱼可以教授研究人员新技巧

年轻的bowfin

如显微镜所见,最近孵出的蝴蝶结幼虫面向左侧。信用:M.布伦特霍金斯

国际研究员序列基因组的国际团队。

鱼类Amia Calva.许多名字包括Bowfin,淡水鲨鱼,脉络箱和泥翼。无论你所谓的,这个物种都是一种进化的谜,因为它体现了祖先和先进鱼类的独特组合。

在8月30日发布的论文中自然遗传学由Ingo Braasch和密歇根州立大学安德鲁汤普森领导的国际和协作团队,已经开始通过测序Bowfin鱼的基因组来解开eNigma。他们的协作分析产生了意外的洞察这一神秘古代血统的生物学的不同方面。yabo124

Bowfin是北美东部的骨鱼流行,是唯一一个现在只从化石所知的许多物种的大型血统。科学家长期以来一直着迷于蝴蝶结,因为它具有祖先特征的组合,如肺样空气呼吸和强大的鳍骨架,以及衍生的特征,如简化的鳞片和减少的尾巴。Bowfin还占据了鱼类家谱中的一个关键位置,在那里坐落在最近出现的紧邻,一个大型和多样的群体之间,以及更多古代分支,包括鲟鱼,波特菲和Bichirs。

Bowfin阑尾骨架演变

原理图显示翅片和四肢骨骼的排列。源自祖先的元素的元素如洋红色所示。Tetrapod Limb和Bowfin翅片的一部分从代表术中出现,而Teactosts已经丢失了代Atgial组件。信用:M.布伦特霍金斯

由于这种特殊位置在鱼类家谱中,Bowfin可以帮助科学家了解现代鱼类的各个方面,从古老的前书中演变。通过检查Bowfin Genome,科学家可以调查Bowfin独特旧的旧功能的遗传基础。它们还可以将这种基因组信息作为框架,以更好地了解电源的起源,这已经复制和广泛地修改了它们的基因组,因为从波纹谱系和新兴的血管习惯于大多数水生栖息地的主要谱系。

作为哈佛大学的有机体和进化生物学系的博士候选人,研究共同作者M. Brent Hawkins(PHD '20)检查了Bowfin Pectral yabo124Fin的进化和发展。霍金斯的博士论文与马修·哈里斯教授,哈佛医学院和波士顿儿童医院,以及哈佛大学的有机体和进化生物科学系詹姆斯·汉根教授贡献了一些研究最令人惊讶的发现。yabo124

由于骨骼的祖先配置,霍金斯专注于蝴蝶结的胸鳍。Bowfin保留了金属谷物,这是翅片骨骼的一部分,其与肢体骨骼同源Tetrapods.。模型生物如广泛使用的斑马鱼和麦卡卡已经丢失了代谷,这使得翅片和肢体之间的比较困难。通过研究Bowfin Fin,科学家可以利用Bowfin开发的知识作为跨踏上的山脊,以向Tetrapod肢体开发桥接Teleost Finab的发展,并帮助解释鳍到肢体过渡的演变。

Bowfin鸡蛋

新鲜沉积的蝴蝶结鸡蛋附着在巢材料上。雄性蝴蝶结建造巢在女性产卵中。在雄性施肥后,它将留在巢穴中来保护年轻人。信用:M.布伦特霍金斯

与共同作者艾米丽的Funk和Amy Mccune,康奈尔大学,霍金斯在纽约州野外的巢中收集了年轻的Bowfin胚胎。霍金斯举起胚胎,在开发时收集胸鳍样品。他从样品中提取mRNA,并在哈佛大学鲍尔核心的帮助下进行转录组测序,以确定哪些基因通过使用基因组参考序列解析转录组数据。一旦鉴定,他使用原位杂交以可视化这些基因在鳍过度期间激活这些基因的位置。最初,Hawkins期望Bowfin基因数据看起来与其他鳍和四肢非常相似。“作为一个领域,我们表征了许多参与附属图案的基因。霍金斯说,我们对必需的鳍和肢体基因是什么以及它们应该被打开的地方。“但是,当他分析鳍数据时,他对结果感到震惊。

虽然Bowfin胸鳍表达了许多预期的附属生长基因,但这些基因的一些最关键的是实际上完全没有。一种称为成纤维细胞生长因子8(FGF8)的这样的基因在显影翅片和肢体的远尖处导致,并且需要这些阑尾的产物。当FGF8丢失附属物外泌生患者受到损害,如果额外的FGF8施加到胚胎,则可能导致新的肢体形成。“我们在开发期间,我们知道的每一只鳍和肢体都知道FGF8,”霍金斯说。“发现Bowfin Fins不表达FGF8就像找到一个没有气踏板的汽车。Bowfin完成了这种重新兴奋,表明Fin Development计划中的意外灵活性。随着基因组,我们现在可以解开这种灵活性的发展。“

虽然一些像FGF8这样的基因是神秘的,但是来自蝴蝶结鳍片,其他基因在鳍中出现意外激活。HOXD14基因在鱼类家谱的深层分支的鱼片中表达,例如Paddlefish,但在包括Teactosts的更新分支中,该基因丢失。当作者发现该基因在Bowfin基因组数据中时,他们认为它不得表达,因为脱氧核糖核酸序列没有编码功能蛋白质。令人惊讶的是,霍金斯和同事发现鲍鱼鳍在高水平下制作Hoxd14基因转录物,即使它没有代码蛋白质。“HoxD14基因不能再制造蛋白质的事实,但它仍然在这种高水平的mRNA中呈现给mRNA表明我们可能还有另一种功能,我们尚未理解。霍金斯说,我们可能会在比赛中看到新的Hox基因调节水平。“

将FGF8和HOXD14结果一起表明遗传计划,即使是那些指导鳍和四肢等重要结构的那些,也不像以前认为那样不变。“通过研究更多物种,我们了解到哪些规则是艰难的,快速的规则,哪些演变可以滋润。我们的研究表明了采样更广泛的自然多样性的重要性。我们可能只找到既定规则的重要例外,“霍金斯说。

霍金斯还表明,波纹研究的结果是警告,防止将生命之树的深层分支成员视为实际祖先的立场。“有些人可能会形容像蝴蝶结这样的物种,作为”活化石“,可靠地代表血统的祖先条件。实际上,这些更深层次的分支一直在不断发展的祖先,只要最近的分支机构,就是以自己的方式做自己的事情和改变。在进化中,老狗确实学习了新的技巧。“

参考:“Bowfin基因组照亮了射线炸鱼的发育演变”由Andrew W. Thompson,M. Brent Hawkins,Elise Parey,Dustin J. Wcisel,Tatsuya Ota,Kazuhiko Kawasaki,Emily Funk,Mauricio Losilla,Olivia E.惠誉,Qiaowei Pan,Romain Feron,Alexandra Louis,JérômeMonfturant,Marine Milhes,Brett L.竞标,Kevin L. Childs,Quenton Fontenot,Allyse Ferrara,Solomon R. David,Amy R. McCune,Alex Dornburg,Jeffrey A. Yoder,Yann Guiguen,Hugues Roest Crollius,Camille Berthelot,Matthew P. Harris和Ingo Braasch,2021年8月30日,自然遗传学
DOI:10.1038 / s41588-021-00914-y

霍金斯目前是哈佛医学院和波士顿儿童医院的马修P. Harris实验室的博士后研究员。

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