考慮一下你腳下的工程奇跡。無論是毛茸茸的還是家常的，沒有堅實的支撐，你都會很難走路或正常跳躍。現(xiàn)在，斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院和阿拉巴馬州亨茨維爾的HudsonAlpha生物技術(shù)研究所的研究人員已經(jīng)確定了人類和靈長類動物之間基因表達的變化，這可能有助于我們在行走時保持這種優(yōu)勢。他們通過研究一種叫做threespine stickleback的小魚來完成它，這種魚已經(jīng)進化出完全不同的骨骼結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)世界各地的環(huán)境。

“從魚類一直到人類的研究項目有點不尋常，但很明顯，調(diào)整稱為骨形態(tài)發(fā)生蛋白的分子表達水平不僅會導(dǎo)致棘突的骨骼裝甲發(fā)生重大變化，而且在人類和靈長類動物的后肢發(fā)展中，“斯坦福大學(xué)發(fā)育生物學(xué)教授大衛(wèi)金斯利博士說。“這種變化可能是我們從一只像黑猩猩一樣抓住后足從一種承重結(jié)構(gòu)進化而來的原因的一部分，這種結(jié)構(gòu)讓我們可以兩條腿走路。”

Kingsley也是Howard Hughes醫(yī)學(xué)研究所的研究員，他是一篇論文的高級作者，該論文描述了將于1月7日在Cell上發(fā)表的著作。主要作者是前斯坦福大學(xué)博士后學(xué)者Vahan Indjeian博士，他現(xiàn)在是倫敦帝國理工學(xué)院研究小組的負責人。

適應(yīng)不同的環(huán)境

threespine趾骨是非常了不起的，它已經(jīng)發(fā)展到有許多不同的身體結(jié)構(gòu)，以配備它在世界不同地區(qū)的生活。它體現(xiàn)了骨板和脊柱的外部，起到盔甲的作用，保護它不受捕食者的侵害。在海洋環(huán)境中，板塊又大又厚; 在淡水中，魚已經(jīng)進化成具有更小，更輕的板，可能是為了增強浮力，增加身體柔韌性并且更好地從大型饑餓昆蟲的抓地中滑出。金斯利和他的同事想要確定魚類基因組的區(qū)域，這些區(qū)域負責自然群體中進化的骨骼差異。

研究人員確定了負責控制裝甲板尺寸的基因組區(qū)域，然后在11對不同裝甲板尺寸的海水和淡水魚中尋找差異。他們歸巢于一個包含骨形態(tài)發(fā)生蛋白家族成員GDF6 基因的區(qū)域。由于該基因附近的調(diào)控DNA序列發(fā)生變化，淡水粘附物表達較高水平的GDF6，而它們的鹽水表達較少。研究人員發(fā)現(xiàn)，引人注目的是，經(jīng)過基因工程改造以含有淡水魚調(diào)節(jié)序列的海洋魚類表達了更高水平的GDF6并開發(fā)了更小的裝甲板。

人類與黑猩猩的監(jiān)管區(qū)域

Kingsley和他的同事們想知道GDF6表達水平的變化是否也可能導(dǎo)致人類進化過程中的關(guān)鍵骨骼改變。這種可能性并不像看起來那么牽強。包括Kingsley在內(nèi)的進化生物學(xué)家的其他研究表明，關(guān)鍵發(fā)育基因調(diào)控區(qū)域的微小變化可能對許多脊椎動物產(chǎn)生深遠影響。

他們首先與Gill Bejerano博士，斯坦福大學(xué)發(fā)育生物學(xué)，計算機科學(xué)和兒科學(xué)副教授的實驗室工作人員合作，比較黑猩猩和人類基因組的差異。在之前的調(diào)查中，他們發(fā)現(xiàn)了超過500個地方，人類失去了從黑猩猩和許多其他哺乳動物保存的監(jiān)管區(qū)域。其中兩個發(fā)生在GDF6基因附近。他們尤其是一個人。

“這一監(jiān)管信息是通過大約1億年的演變共享的，”金斯利說。“然而，令人驚訝的是，這個地區(qū)在人類中缺失了。”

為了更多地了解GDF6調(diào)控區(qū)可能控制的內(nèi)容，研究人員使用黑猩猩調(diào)控DNA來控制一種易于在小鼠中可視化的蛋白質(zhì)的產(chǎn)生。黑猩猩調(diào)節(jié)DNA與報告蛋白偶聯(lián)的實驗室小鼠在其后肢強烈且特異性地表達蛋白質(zhì)，但不是它們的前肢，并且在它們的外側(cè)腳趾，而不是后肢的大腳趾?；蚬こ绦∈笕狈υ谏眢w任何部位產(chǎn)生GDF6的能力，其顱骨比正常小，腳趾短于同齡人。總之，這些研究結(jié)果為研究人員提供了一個線索，即GDF6可能在肢體發(fā)育和進化中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

大腳趾：一個解釋

人類缺少后肢調(diào)節(jié)區(qū)域這一事實可能意味著我們在發(fā)育期間表達的腿和腳中的基因較少，但在我們新生的手臂，手和頭骨中的比例相當。這種特殊調(diào)節(jié)序列的喪失也會縮短側(cè)腳趾，但不會縮短腳趾的第一腳趾。這可能有助于解釋為什么大腳趾與人類的其他短腳趾對齊。這樣的修改會產(chǎn)生一個更堅固的腳，可以直立行走。

“這些骨形態(tài)發(fā)生蛋白是所有類型動物骨骼和軟骨生長的強烈信號，”Kingsley說。“你可以通過改變表達信號的位置和時間來發(fā)展新的骨骼結(jié)構(gòu)，無論你是在改變背部的護甲，還是在人類進化過程中改變特定的后肢結(jié)構(gòu)，看到類似的監(jiān)管原則都是非常令人滿意的。”