自由手指在陸地上具有許多明顯的優(yōu)點(diǎn)，例如在運(yùn)動(dòng)和抓握中，而蹼狀手指是典型的水生動(dòng)物或滑翔動(dòng)物。但是兩棲動(dòng)物和羊膜動(dòng)物 - 包括哺乳動(dòng)物，爬行動(dòng)物和鳥(niǎo)類(lèi) - 都可以有蹼狀數(shù)字。在日本的新研究中，科學(xué)家們首次表明，在胚胎發(fā)育過(guò)程中，一些動(dòng)物物種會(huì)檢測(cè)到大氣中的氧氣，從而觸發(fā)了趾間帶狀物的去除。他們的研究發(fā)表在6月13日的“發(fā)育細(xì)胞”雜志上。
兩棲動(dòng)物 - 像青蛙，蟾蜍，火蜥蜴和蠑螈這樣的動(dòng)物 - 通過(guò)數(shù)字之間的差異生長(zhǎng)模式和它們之間的區(qū)域或者叉指區(qū)域形成沒(méi)有織帶的手指。相比之下，羊膜動(dòng)物依賴(lài)于叉指細(xì)胞死亡，或數(shù)字之間織帶中細(xì)胞的死亡，這種機(jī)制有助于肢體形狀的更大變化。
“我們發(fā)現(xiàn)，通過(guò)細(xì)胞死亡去除趾間膜取決于活性氧(ROS)的產(chǎn)生，活性氧只在發(fā)育過(guò)程中暴露于足夠氧氣水平的胚胎中發(fā)生，”東京工業(yè)大學(xué)的高級(jí)作者田中美子說(shuō)。 。
由于高氧水平可以誘導(dǎo)青蛙的細(xì)胞死亡，研究人員認(rèn)為這種機(jī)制可能是所有四足動(dòng)物共有的 - 兩棲動(dòng)物和羊膜動(dòng)物。“但是兩棲動(dòng)物并沒(méi)有利用細(xì)胞死亡來(lái)塑造他們的趾間區(qū)域;數(shù)字和趾間區(qū)域之間的增長(zhǎng)率差異將決定它們的最終比例，”她說(shuō)。“我們認(rèn)為兩棲動(dòng)物中的叉指細(xì)胞死亡僅作為高氧水平的副產(chǎn)品出現(xiàn)，這是這一進(jìn)化過(guò)程的第一步。這一新步驟最終被整合到肢體發(fā)育中，成為塑造現(xiàn)代羊膜動(dòng)物肢體的必要條件。 “。
在他們的研究中，Tanaka的團(tuán)隊(duì)檢查了幾個(gè)物種的胚胎。在雞胚胎中，一種具有叉指細(xì)胞死亡的羊膜，改變氧氣水平直接影響垂死細(xì)胞的數(shù)量。他們還指出，非洲爪蛙(一種通常缺乏它的兩棲動(dòng)物)增加了環(huán)境氧氣引起的叉指間細(xì)胞死亡的數(shù)量。并且增加這些青蛙肢體中的血管密度也會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞死亡。
為了獲得進(jìn)化觀點(diǎn)，研究人員還研究了另外兩種兩棲動(dòng)物的細(xì)胞死亡和ROS，即日本火腹蠑螈和coquí青蛙。像非洲爪蛙一樣，日本火腹蠑螈沒(méi)有趾間細(xì)胞死亡，但是coquí青蛙在它們的趾間區(qū)域有垂死的細(xì)胞。重要的是，與其他兩種兩棲動(dòng)物不同，coquí青蛙在陸生卵中沒(méi)有蝌蚪階段生長(zhǎng)，并從空氣中呼吸氧氣。“通過(guò)這種方式，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)和比較中都表明，叉指細(xì)胞死亡與四足動(dòng)物(四足脊椎動(dòng)物)的生活史策略和氧氣可用性相關(guān)，”田中說(shuō)。
研究人員解釋說(shuō)，叉指區(qū)域富含血管，是組織氧氣的來(lái)源。部分氧氣可以轉(zhuǎn)化為ROS。“矛盾的是，ROS在傳統(tǒng)上被認(rèn)為是老化和不育等惡性，”她說(shuō)，“但是很明顯，ROS的生理水平會(huì)根據(jù)每個(gè)細(xì)胞而變化，并在發(fā)育過(guò)程中和成人中調(diào)節(jié)幾種信號(hào)通路。生物。”
該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，有兩個(gè)主要因素使得叉指區(qū)域?qū)OS的增加敏感 - 活躍的Bmp信號(hào)傳導(dǎo)和血管重塑。近20年來(lái)，Bmps被描述為誘導(dǎo)羊膜四肢細(xì)胞死亡的關(guān)鍵。“然而，這條路徑也在模擬數(shù)字和關(guān)節(jié)的數(shù)量方面發(fā)揮作用，并且在兩棲動(dòng)物的交叉指數(shù)區(qū)也很活躍，”她說(shuō)。以同樣的方式，血管重塑增加了四肢的氧氣可用性，并與羊膜中的叉指細(xì)胞死亡相關(guān)，但是是另一個(gè)過(guò)程的一部分：手指的骨化。
“但有趣的是，雖然羊膜動(dòng)物和兩棲動(dòng)物都可以有自由手指或蹼狀手指，但它們?cè)谶@兩組中形成的方式不同，”田中說(shuō)。“羊膜動(dòng)物獲得的新發(fā)育機(jī)制 - 趾間細(xì)胞死亡 - 允許各種各樣的肢體形狀的演變，例如白骨的指狀手指，甚至在馬和駱駝中移除一些手指。”
展望未來(lái)，該團(tuán)隊(duì)有興趣了解在開(kāi)發(fā)過(guò)程中哪些途徑受ROS調(diào)節(jié)。他們希望揭示細(xì)胞死亡如何成為進(jìn)化過(guò)程中羊膜動(dòng)物肢體發(fā)育不可或缺的一部分。他們還希望深入了解可能導(dǎo)致過(guò)量產(chǎn)生ROS的藥物(如乙醇，苯妥英和沙利度胺)如何導(dǎo)致人類(lèi)發(fā)育缺陷。
這項(xiàng)工作得到了武田科學(xué)基金會(huì)，藤原自然歷史基金會(huì)，鈴祖紀(jì)念基金會(huì)和美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)的支持。