【生物演化】魚鰭和手指腳趾發育的異曲同工之妙

■四足動物的祖先都像是今天在水裡游的魚。我們祖先從水中演化上陸地發生的一項偉大變革是,魚鰭被手指和腳趾取代了。科學家發現,原來魚鰭發育中關鍵的細胞,同樣在手指和腳趾的發育中扮演重要的角色。

Credit: Shubin Laboratory
Credit: Shubin Laboratory

撰文|黃貞祥

化石證據顯示,陸生四足動物和輻鰭魚類的共同祖先在4億3千萬年前還生活在水中,而陸生四足動物的祖先,是在3億6千萬年前演化上陸的。

芝加哥大學的演化生物學家Neil Shubin等人,經過了三年,使用基因編輯技術和靈敏的細胞發育圖,在魚鰭中追蹤發育過程中細胞的去向,因而發現了在魚鰭中的鰭條,有可能和手指及腳趾是同源的,因為它們都有相同的發育史。

Neil Shubin原是古生物學家,他最轟動的發現是提塔利克魚(Tiktaalik)。那是一種已滅絕的早期魚類,生存於3億7千萬年前泥盆紀晚期,被認為是魚類及兩生類之間的物種。牠的「鰭」擁有原始的腕骨及單純的趾頭,表示它們可以承受重量。雖然很可能無法使用它們來行走,但是它們可能可以用來支撐身體,就像伏地挺身一樣。前鰭的骨骼顯示出牠們可能擁有許多肌肉組織,這表示牠們擁有發達的肌肉,而且有能力像手腕一樣彎曲。這些類似手腕的特徵可以幫助提塔利克魚在快速移動時穩定身體的底部。

Neil Shubin指出,多年來科學家一直認為鰭條和手指腳趾完全無關,因為手指腳趾是由骨骼形成,鰭條僅是簡單的結締組織,它們在結構上、發育上和組織學上都差異很大。人類的手指是由軟骨發育而成,內含血管,稱為軟骨內成骨(Endochondral bone),而魚鰭的鰭條則不是從軟骨發育而成並且不含血管,稱為膜骨(Dermal bone,或稱皮質骨)。

Neil Shubin實驗室的博士後研究員中村哲也,使用了基因編輯技術CRISPR / CAS,在斑馬魚中刪除和肢體發育有關的重要基因,然後選擇性繁殖有多個有目標缺失的斑馬魚。他花了兩年多在開始在伍茲霍爾海洋生物實驗室的建立和雜交育種斑馬魚突變品系;Neil Shubin實驗室的研究生Andrew Gehrke利用了一種改進的細胞標記技術,能夠繪製出動物生長和發育時,胚胎細胞何時遷移到何地。

他們把焦點放在HOX基因,那是在動物控制從頭到尾的體節發育的基因,也控制了從肩膀到手指的發育。他們追蹤了從剛受精到長出魚鰭的過程中,細胞的去向。和老鼠手腕及手指發育有關的HOXA-13HOXD-13基因,在剔除的狀況下,手腕及手指是無法長出的。中村哲也發現,如果在斑馬魚把相同基因一起剔除,牠們的魚鰭會大幅縮短。這些基因在斑馬魚參與了膜骨而非軟骨內成骨的發育。

他們使用了高能電腦斷層掃描來研究傳統顯微鏡看不到的魚鰭細微構造。發現有些特定基因的缺失會失去魚鰭,可是製造軟骨片的小骨頭的數量會增加。利用細胞追蹤技術,他們發現手指和腳趾,還有鰭條都是用相同的細胞製造的。他們懷疑那是因為突變造成細胞無法從魚鰭基部遷徙上去製造鰭條,因而在基部製造了更多軟骨。這個發現意味著,魚鰭的發育也好,手指和腳趾的發育也好,都是利用同樣的分子基制,只是在魚鰭那樣細胞發育成了膜骨,而在手指和腳趾則發育成軟骨內成骨。

這個改寫教科書的研究發現意味著,儘量外觀再不相似,我們也必須重親思考魚鰭和手指及腳趾的演化關連!

原學術論文:Nakamura T, et al. Digits and fin rays share common developmental histories. Nature. 2016 Aug 17. doi: 10.1038/nature19322. [Epub ahead of print]

參考資料:
1. John Easton. Discovery reveals evolutionary path from fins to fingers. UChicagoNews. August 18, 2016.
2. Carl Zimmer. From Fins Into Hands: Scientists Discover a Deep Evolutionary Link.  New York Times. AUG. 17, 2016.

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作者:黃貞祥 現任教於國立清華大學分子與細胞生物研究所暨生命科學系,從事鳥類的演化遺傳學、基因體學及演化發育生物學研究。科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。

 

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