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想让鱼“飞”起来只需要改变两个基因

发布日期:2022-02-22 10:47   来源:未知   阅读:

  飞鱼这种奇特的运动方式,似乎是一种躲避水面下的捕食者的策略。(图片来源:John Cobb)

  倏然间,一道灵巧的身影刺破宁静的水面,在水面上空疾速滑翔——这是飞鱼矫健的身姿。是什么让这些应该生活在水里的鱼,具有不可思议的“飞行”能力?

  飞鱼(Exocoetidae)是一类广泛分布于全球海洋中的鱼。与一般的鱼相比,它们的造型略显怪异,拥有长而坚硬的胸鳍和腹鳍,就像雄伟的机翼那样。但也仅需要身体上的这寥寥几处变化,这些原本只能在水里游动的生物就具备了“飞翔”的能力。当然,严格意义上说,它们只能滑翔:利用在水下的加速跃出水面,在空中利用空气动力学特性延长滑翔时间,在即将再次入水时用尾部拍击水面实现连续腾空。飞鱼的单次滑翔距离最远可达180米,而多次滑翔距离甚至可达400米,这可以帮助它们逃脱捕食者。

  不过,一直以来,科学家并不知道是什么样的遗传机制让飞鱼有了这种特征。最近,在哈佛大学医学院的马修·哈里斯(Matthew Harris)的带领下,一群研究人员揭示了飞鱼演化出奇特鱼鳍的遗传机制。结合多种技术,他们发现只需要2个基因发生变化,就足以让飞鱼拥有这种奇特的身体结构,其机制之简单让人惊讶不已。这项研究已于去年11月发表在《当代生物学》(Current Biology)上。

  为了搜寻让飞鱼拥有奇特身体结构的遗传机制,哈里斯的团队对包括飞鱼和它们的近缘种在内的35个物种进行了基因组测序和比对。他们把目光瞄准了不同物种间差异较明显的DNA区域,发现了一些貌似在选择压下发生了演化的基因。

  德国康斯坦茨大学的演化生物学家朱斯特·沃尔特林(Joost Woltering)认为,这种比较性的研究有助于发掘促使新的身体形态形成的驱动因素。“但是,如何证明就是这一个基因导致了差异呢?我们很难让飞鱼的鳍再缩短回去,”他说道,“必须要另外找一种可以开展实验的动物。”

  于是,哈里斯的团队用斑马鱼(Danio rerio)开展了实验。他们使用化学试剂和伽马射线万多个斑马鱼胚胎中诱发了随机突变,然后从那些存活至成体的个体中,寻找他们感兴趣的性状。这种做法并不常见,因为在斑马鱼中开展的遗传学研究关注的通常是它们的发育过程。

  雅各布·达恩(Jacob Daane)当时是哈里斯实验室里的一名博士后研究员。他和同事还筛选了此前的一批斑马鱼长鳍突变体,以更精确地寻找可能调控斑马鱼鳍生长的基因变体。他们的目光落到了2个突变基因上,分别是导致细胞过表达外膜上的钾通道蛋白的kcnh2a,以及导致细胞亮氨酸转运体功能缺失的lat4a。

  研究人员发现,在斑马鱼中,亮氨酸转运体的突变导致所有的鳍都变短了,而钾通道的突变导致所有的鳍变长了。如果这两种突变只发生其中一处,斑马鱼的运动能力就会受到影响。但当这两个突变同时发生时,斑马鱼的胸鳍就会变长,而奇鳍(median fin,鱼类沿身体正中线生长的不对称鳍,如背鳍、臀鳍和尾鳍)会变短,变成俨然一副飞鱼的模样。对此,达恩说道:“据我所知,像这样通过非常简单的机制,就能对器官的尺寸产生如此巨大的影响的情况,在动物中并不常见。”

  放眼广袤的自然界,不同的动物身体形态可谓是五花八门,这种形态上的多样性很大程度上归功于自然选择的作用。哪怕一块组织生长的时间和速度只发生些微变化,都有可能影响某处身体结构的长度和大小,甚至让动物多长或者少长一块骨头,这样一来便产生了新的适应性状,为物种赢得了新的生态位(niche)。飞鱼这种独特的性状,正可谓是一种演化上的胜利。

  在不同的飞鱼谱系中,它们的身体构造发生了数次独立的演化,但都与亮氨酸转运体和钾通道基因的突变相关。不同谱系中发生的亮氨酸转运体突变并不完全相同,但它们涉及的氨基酸变化是一样的,这就表明不同谱系各自独立地采用了相同的遗传机制,从而演化出这种鱼鳍的形状。“在不同的背景下,自然都瞄准了同一个特定的基因。”波士顿学院的演化发育生物学家萨拉·麦克梅纳敏(Sarah McMenamin)说道。

  亮氨酸转运体的基因(中间列)在多数鱼类物种(上)中是高度保守的。但是在飞鱼(下)和它们的一些近缘种(中)中,转运体蛋白中都有一个氨基酸残基(右列)与其他鱼类不同。因此研究人员怀疑,这个基因影响了鱼鳍的长度比例。(图片来源:Samuel Velasco/Quanta Magazine,有裁剪;资料来源:)

  至于钾通道突变如何导致鱼鳍过度生长,科学家仍没有答案。当钾通道过表达时,细胞膜的静息膜电位和细胞质的pH值会改变,增强细胞的活性和对刺激的响应。于是,鱼鳍细胞开始发出一些类似神经元和干细胞会发出的信号。哈里斯表示,也许细胞信号的变化会影响鱼鳍的生长,但这只是一种推测。“这些都是生物学中的新问题,还很少有人研究,人们对其中机制的了解其实很少。”他说道。

  研究人员通过抑制钾通道突变基因的表达,抑制了钾离子流动,发现鱼鳍的生长因此而受到阻滞。他们猜想,在发育的某个阶段,鱼鳍中的细胞会变得类似合胞体(syncytium,含有多个核的单个细胞质团)。如果情况确实如此,那么钾离子流产生的电场就可以传播到整个鱼鳍中,实现长程的信号调控,这一点可能强于一般的形态发生素或者分泌因子等影响形态发生(morphogenesis)的化学信号。也就是说,生物电信号也可能对鱼鳍的生长和形态起调控作用,甚至可能影响其他身体结构。

  对鱼鳍的发育和演化进行研究,或许还能帮助我们回答四足动物四肢演化的问题。斑马鱼的胸鳍和身体之间只通过一层骨质结构相连,即近端辐鳍骨(proximal radial),该结构和鱼的“肩部”直接形成关节。去年2月,布伦特·霍金斯(BrentHawkins)、卡特琳·亨克(KatrinHenke)和哈里斯曾在《细胞》(Cell)上发表了一项研究。他们发现,只需一条表达通路上发生突变,就可以影响斑马鱼鳍的发育模式,使其展现出发育成四肢的潜能。

  硬骨鱼的鳍(上)缺少像四足动物的四肢(下)那样精细的结构。然而,只需一条表达通路上发生突变,就可以影响斑马鱼鳍的发育模式,使其展现出发育成四肢的潜能(中)。(图片来源:)

  突变的斑马鱼会形成两块“中辐鳍骨”(intermediate radial),它们与近端辐鳍骨形成关节。这些新形成的骨骼上甚至还有肌肉附着。这样的结构,已经展露出更为精细的四肢的雏形。然而,早在约4.5亿年前,斑马鱼和四足动物的祖先就已经分道扬镳了。这种返祖现象(atavism)还原了数亿年前的演化图景,也揭示了编码鱼鳍和肢体的遗传机制非常古老,或许普遍存在于脊椎动物中。

  对于附肢演化研究而言,他们的发现令人欣喜。“哈里斯团队的工作实际上表明了,现生的辐鳍鱼基因组内依然保留着可以生成精细内骨骼结构的信息,它们有可能发育出更为精细的结构。”麦克梅纳敏说道。

  另外两项同时发表在《细胞》上的研究,分别对辐鳍鱼的早期分支和非洲肺鱼的基因组进行了分析,表明所有硬骨鱼的共同祖先已经具备了发育出肢体的潜能。

  后续研究也不断地表明,与鳍和肢体发育相关的遗传机制相当保守。例如,去年11月发表在《美国科学院院刊》(PNAS)上的一项研究发现了一个基因,它同时调控着四足动物肢端指(趾)结构和鱼鳍外缘结构的形成。同月,一项发表在《当代生物学》上的研究表明,跳鼠之所以拥有很长的后足,是因为一个基因导致它们肢体的骨骼不成比例地生长,与飞鱼鳍的异速生长(指某个部位的生长速度或模式与个体的生长不成比例)现象相似。

  詹姆斯·麦迪逊大学的演化发育生物学家马库斯·戴维斯(Marcus Davis)认为,如今学界应当思考的一个问题是,鱼鳍和四肢的这一套发育程序,最初到底是从哪里来的?“这样的程序肯定是有源头的,不可能凭空产生。”戴维斯说道。

  这套程序有可能来源于动物体内其他部位的一套更古老的发育程序。罗格斯大学的发育生物学家中村彻也(Tetsuya Nakamura)猜测,编码偶鳍(paired fin,鱼类身体两侧对称生长的鳍,如胸鳍和腹鳍)和四肢的遗传机制,衍生于编码背鳍和臀鳍发育过程的机制,这些鳍比偶鳍更为古老。例如,七鳃鳗(lampreys)是约5亿年前演化出的一类无颌鱼,它们拥有背鳍和臀鳍,但没有偶鳍。

  飞鱼的成对胸鳍(位于身体前部)和腹鳍(位于尾部之前)比其他大多数的硬骨鱼更长而坚硬,可以发挥类似机翼的作用。而位于身体上下两侧的奇鳍则相对较小,可以减小空气阻力。(图片来源:Valerii Evlakhov)

  尽管这些迥然不同的附肢和身体形态有着共同而古老的遗传渊源,但沃尔特林指出,从一种形态转变成另一种形态是非常重大的演化事件:“我相信,四足动物四肢的诞生,绝对是演化史上的一大创举。”

  这些演化事件是如何发生的仍有待研究,而哈里斯团队新颖的研究方法,为演化发育生物学研究提供了新思路。在寻找调控发育程序的基因时,科学家常常会关注某些常见的、关联密切的机制,例如调控异速生长的胰岛素信号通路,还有调控肢体和鱼鳍发育模式的Hox基因。但哈里斯的团队使用了比较基因组学和大规模基因筛查技术,来找出具备目标表型的斑马鱼个体。这样的做法不确定性更大,难以预料实验结果。

  不过哈里斯认为,他们的努力是值得的:“一旦思考的方向正确了,我们就会得到出乎意料的结果,这些结果是经典的群体水平研究无法得出的。”