我们的四肢从何而来 研究揭示了成对附属物起源的新线索

包括科罗拉多大学医学院科学家在内的一项国际合作发现了有关配对附属物起源的新线索 - 这是一个尚未解决且备受争议的重大进化步骤。

研究人员在《自然》杂志上发表的一篇文章中描述了他们的研究。

“这已经成为一个有争议的话题，但这确实是进化生物学中一个非常基本的问题：我们的四肢来自哪里?”共同通讯作者Christian Mosimann博士说，他是CU医学院发育生物学系儿科副教授和约翰逊。

这个问题——我们的四肢从何而来?——100多年来一直是争论的主题。1878年，德国科学家Carl Gegenbaur提出，成对的鳍来自一种叫做鳃弓的来源，鳃弓是鱼类中存在的骨环，用于支撑它们的鳃。其他科学家赞成侧鳍褶皱假说，结论是鱼顶部和底部的侧鳍是成对鳍的来源。

“这是一个非常活跃的研究课题，因为它长期以来一直是一个智力挑战，”莫西曼说。“许多大型实验室已经研究了我们四肢如何发育和进化的各个方面。这些实验室包括Mosimann博士的同事和合著者Tom Carney博士及其在新加坡南洋理工大学Lee Kong Chian医学院的团队。

追逐奇特的细胞

对于莫西曼来说，对四肢来源的调查是他在CU Anschutz医学园区的实验室进行的其他研究的一个分支。在他的实验室里，他的团队使用斑马鱼作为模型来了解从细胞到器官的发展。他和他的团队研究细胞如何决定它们的命运，寻找发育如何出错导致先天性异常的解释，特别是心血管和结缔组织疾病。

在此过程中，Mosimann和他的实验室团队观察到一种具有结缔组织细胞特征的特殊细胞类型，即与心血管系统共享发育起源的所谓成纤维细胞，如何迁移到斑马鱼的特定发育鳍中。事实证明，这些细胞可能支持配对附属物进化的竞争理论之间的联系。

“我们一直都知道这些细胞很奇怪，”他说。“这些成纤维细胞状的细胞进入了所谓的腹鳍，即发育中的斑马鱼腹部的鳍。类似的成纤维细胞没有爬进任何其他鳍，除了胸鳍，它相当于我们的手臂。所以我们一直注意到这些奇特的成纤维细胞，多年来我们永远无法理解它们是什么。

Mosimann实验室已经开发了几种技术来跟踪发育过程中的细胞命运，以追求其主要主题，这是对胚胎细胞层(称为侧板中胚层)如何促进不同器官的更好理解。侧板中胚层是心脏、血管、肾脏、结缔组织以及四肢主要部位的发育起源。

形成相当于我们手臂和腿的成对鳍是由侧板中胚层的细胞播种的，而其他鳍则不是。了解这些特殊的鳍如何变得更加像肢体一直是长期争论的核心。

发展新理论

汉娜·莫兰(Hannah Moran)正在莫西曼实验室攻读细胞生物学，干细胞和发育项目的博士学位，她采用了一种跟踪有助于心脏发育的侧板中胚层细胞的方法，以便研究人员可以跟踪与肢体发育相关的特殊成纤维细胞。

“我的主要研究项目侧重于心脏的发育而不是肢体的发育，”莫兰说，“但是我已经采用了一种遗传技术来绘制早期心脏细胞，因此我们能够将其应用于绘制腹鳍神秘细胞的来源。事实证明，它们也来自侧板中胚层。

这一重要发现为我们如何进化手臂和腿的大局提供了新的拼图。越来越多的证据支持成对附肢进化的假设，称为双重起源理论。

“我们的数据非常适合这种组合理论，但它也可以与侧鳍理论独立存在，”Mosimann实验室的博士后Robert Lalonde博士说。“虽然成对的附属物来自侧板中胚层，但这并不排除与未配对的侧鳍的古老联系。

通过观察胚胎发育的机制并比较现有物种的解剖结构，像莫西曼这样的研究小组可以发展出关于胚胎结构如何随着时间的推移而进化或被修改的理论。

“胚胎的特征仍然是它们尚未丢失的古老遗迹，这提供了对动物如何进化的见解，”莫西曼说。“我们可以使用胚胎来更多地了解今天仍然存在的特征，使我们能够回到过去，”Mosimann说。“我们看到身体具有形成双边，双侧结构的基本固有倾向。我们的研究提供了一个分子和遗传拼图，以解决我们如何拥有四肢。它增加了这个100多年的讨论，但现在我们有分子见解。

国际合作

与全国和世界各地实验室的同事合作是该研究的另一个重要部分。这些科学家带来了额外的专业化，并提供了来自其他模型的数据，包括白鲟，非洲爪蛙和一种名为Ranchu的裂尾金鱼变体，以研究胚胎发育。

“这篇论文上有这方面的实验室，研究肌肉骨骼疾病，毒理学，纤维化。我们致力于心血管，先天性异常，心肺异常，肢体发育，所有这些都与我们对侧板中胚层的兴趣有关，“Mosimann说。“然后一起，你们可以做出这样的基本发现。这就是团队科学使我们能够做一些不仅仅是部分总和的事情的地方。

对于这项研究的所有相当大的工作和意义，莫西曼团队认识到这是关键一步，但不是关于配对附属物的辩论的旅程的结束。

“我不会说我们已经解决了这个问题，甚至不会反驳现有的理论，”拉隆德说。“相反，我们为回答一个主要的进化问题提供了有意义的数据。

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