Hvordan dyr genbruger gener til at udvikle begge lemmer, øjne

Den sidste fælles forfader til blæksprutter og hvirveldyr eksisterede for mere end 500 millioner år siden. Faktisk er en blæksprutte tættere beslægtet med en musling, end den er til en person. Alligevel udviklede de to slægter uafhængigt øjne i kameralinsestil med meget lignende funktioner:en enkelt linse foran og en skålformet, billedregistrerende nethinde bagpå.

Ligheden har fået videnskabsmænd til at spekulere i årtier, hvordan blæksprutter og deres fætre får deres øjne. I forskning offentliggjort i denne uge i BMC Biology , rykker et Harvard-laboratorium tættere på at optrevle mysteriet.

Forskerne fra FAS Center for Systembiologi opdagede et netværk af gener, der er vigtige for udviklingen af ​​blæksprutteøjne, som er kendt for også at spille en afgørende rolle i udviklingen af ​​lemmer på tværs af dyr, herunder hvirveldyr og insekter. Forskerne siger, at disse gener er blevet genbrugt i blæksprutter til at skabe øjne af kameralinsetypen.

Resultaterne kunne hjælpe forskere med at forstå, hvordan disse gener og de cellulære veje, de er kendt for at arbejde på, virkelig fungerer i både blæksprutter og hvirveldyr. De giver også et innovativt eksempel på, hvordan forskellige dyreslægter dygtigt kan kapre de genetiske værktøjer i deres arsenal og tilpasse dem til at opnå overraskende evolutionære bedrifter.

"Dette var ret chokerende, fordi meget få mennesker tror, ​​at en øjenlinse er meget som et ben," sagde Kristen Koenig, en John Harvard Distinguished Science Fellow og seniorforfatter af undersøgelsen. "Et af de store spørgsmål inden for biologi er, hvordan man laver nye [morfologiske træk]. Blækspruttelinsen er en nyhed for deres afstamning. De var nødt til at lave en linse fra bunden for at kunne se rigtig godt. Hvad dette arbejde indebærer, er at du skal tage de værktøjer, du har, og bruge dem til nye formål."

Forskerne fra Koenig-laboratoriet har en teori om, at det netværk af gener, de opdagede i blæksprutte, måske ikke er vigtigt for at skabe specifikke organer, men de kan gøre noget mere generisk, der er nyttigt for visse udviklingsfunktioner, herunder udvikling af både lemmer og linse. Disse andre udviklingsfunktioner kunne omfatte præcis genekspression, der placerer de rigtige typer, antal og former af celler på det rigtige sted på det rigtige tidspunkt. Lemmer og øjenlinser starter for eksempel som et fladt ark af celler, der bliver mønstret til koncentriske cirkler, et bullseye-lignende design og udvikler sig derfra til deres endelige former.

"Vores konstatering nedbryder ideen om, at netværket udelukkende udviklede sig til 'lemudvækst'-funktion, men snarere tjener en bredere funktion for enhver form for mønster, der kræver dette koncentrisk-cirkel-lignende motiv, inklusive lemmer, linse, tandvækst og potentielt andre vi har endnu ikke identificeret," sagde Kyle J. McCulloch, en postdoc-stipendiat i Koenig-laboratoriet og hovedforfatter på undersøgelsen.

Forskere fik en bedre ide om, hvilken rolle disse gener spiller i udviklingen af ​​blæksprutteøjne ved at manipulere en cellulær vej kaldet WNT-signalvejen. Hos frugtfluer er det den vej, der er kendt for at antænde de gener, der fører til udvikling af lemmer.

Forskerne undrede sig over, hvordan en gruppe gener, der er vigtige for benudvikling, lavede øjenlinsen, og hvad WNT-signalvejen gjorde i linseudviklingen. De kørte eksperimentet på blæksprutteembryoner og fandt ud af, at overaktivering af denne vej resulterede i tab af øjenlinsen. Dette er, hvad der fik forskerne til at tro, at forskelle i, hvordan WNT-signalering virker på disse gener, kan være vigtig for, hvordan blæksprutten kontrollerer genekspression i lemmen versus linsen.

Laboratoriet planlægger at blive ved med at studere disse gener og sammenligne deres funktion i linseudviklingen med deres funktion i udviklingen af ​​andre morfologiske træk.

"I sidste ende viser dette arbejde styrken ved at studere forskellige systemer," sagde Koenig. "Det er overraskende, at gener, som vi har studeret så godt i andre modelsystemer som frugtfluer og hvirveldyr, og at vi troede, vi forstod, at deres funktion sammen var at lave ben, bruges til dette helt anderledes organ i blæksprutten. Det ændrer, hvordan vi tænk på, hvad disse kanoniske gener gør i udviklingen. Ved at se på tværs af livets mangfoldighed kan vi faktisk forstå, hvad disse gener gør mere præcist."