文|小张

编辑|小张

前言

鲸类动物的后肢消失，前肢变成了具有蹼状趾和超趾特征的鳍，从而使它们能够适应完全的水生环境。

然而，鲸类动物肢体发育背后的，潜在分子机制目前尚不清楚。

鲸类动物（鲸鱼、海豚和鼠海豚）在从陆地返回水生环境时，经历了来自陆地祖先的一系列，适应性形态变化，那这种情况究竟是怎样形成的？

鲸鱼的不同种类区别

现存的鲸类动物被认为起源于，陆地偶蹄目被细分为两个亚目，鲸目动物最重要的变化之一是流线型的体型，这是鳍前肢和后肢退化的结果。

当它在水中运动时产生升力和稳定身体，它有一个缩短的手臂，前臂骨骼和有蹼的手指。

其他水生哺乳动物也有鳍足类动物，如鳍足类动物（海狮、海豹和海象）和西伦目动物（海牛和儒艮）。鲸类动物的鳍充当舵，而西伦人则用它们的钳沿着河床爬行。

相比之下，鳍足类动物都有这两种优势，它们在陆地和水中移动，并适应它们的两栖生活方式。

例如，海狮用它们的前后鳍在陆地上行走，并支撑它们的身体，而海豹在陆地上通过背腹侧的身体波浪。

四肢来移动鲸类前肢，进化出一种独特的超趾畸形，在一般哺乳动物的多趾畸形状态之外，单指趾骨数量增加。

鲸类动物的趾骨数量不同，从4个或fve趾骨到的极端形式的6个或更多。例如，据报道，长鳍领航鲸（头鲸）每指有11-17个趾骨。

超常创建一个不同的形状和平滑的边缘轮廓，以分布力。狭窄和细长的钳被用来游泳快速，而宽形状的钳帮助转弯在缓慢的速度。

最近的发现表明，许多基因负责高功能亢进的形成，如WNT9A和SHH（Sonic刺猬）通路中包含的一些基因。

据报道，WNT9A参与了指间关节，因为WNT9A的错误表达可以阻止该关节在鸡肢体中的形成。虽然有关于鲸目动物的鳍状动物前肢和后肢丧失的形态适应的描述，但其潜在的遗传基础尚不清楚。

具体基因研究体现

其次，我们评估了在鲸类动物中，是否发生了针对这些肢体发育相关基因的，调控元件的加速进化或序列变化。

我们通过细胞功能分析测试了，具有独特变化的调节元件的有效活性。最后，在海洋哺乳动物中检测到平行/收敛位点，以探讨在鳍的形成过程中是否发生了遗传收敛。

一比率模型允许系统发育中所有分支的ω比值相等，表明哺乳动物16个肢体相关基因的ω值在0.0051~0.0864之间，表明在哺乳动物进化过程中，这些基因具有很强的功能约束。

为了检验阳性选择是否局限于某些特异性谱系，我们将每个分支假设独立ω比的自由比模型与所有分支具有相同ω的零单比模型进行了比较。

Te似然比检验（LRT）结果表明，自由比模型对数据的影响优于单比模型7个基因（包括LMBR1、BMP2、BMP7、TBX4、SMO、TBX5和PTCH1）的模型。

在LMBR1的最后一个共同祖先（LCA）、PTCH1的LCA以及PTCH1的真兽和超兽的LCA上检测到阳性选择的证据。我们进一步使用了双比率模型，允许前景分支和背景分支之间有不同的ω比率，以测试鲸类祖先谱系是否加速进化。

Te结果显示，加速进化仅在TBX5的鲸目动物祖先谱系中被发现，而在其他基因中没有发现这种信号，表明其强度很强

16个肢体相关基因的顺式调控元件分析

在36个哺乳动物基因组的基因组比对中，在16个肢体相关基因的1M区域内，共测定了26个CNEs（长度>50bp）。

PyloAcc的Te结果显示，在鲸类动物和其他海洋哺乳动物中，共有10个CNEs正在加速进化其中，有8个CNEs靶向于夹钳相关基因（BMP7、BMP4、HAND2和GREM1）。

例如，在HAND2基因附近有一个fvecnes，该基因与前后肢间充质模式相关，在鲸类动物和鳍足类动物的谱系中经历了快速的进化。在调节指间细胞死亡的BMP4和BMP7中分别检测了一个快速进化的CNE。

另一个加速CNE位于GREM1附近，这是已知的BMPs蛋白拮抗剂。相比之下，有两种TBX4的加速CNEs在后肢中特异性表达。

我们还根据已发表的研究寻找了，16个肢体相关基因的已知增强子，发现有17个增强子针对8个肢体相关基因（TBX4、FGF10、BMP4、FGF8、GREM1、BMP7、HAND2和SHH），而其余8个基因中未检索到增强子。

例如，我们从FGF8中检索到了6个已知的增强子。在这17个已知的增强子中，共鉴定出190个鲸类特异性变化，包括178个鲸类特异性突变、2个插入和10个缺失。

此外，当我们将这26个CNEs映射到17个已知增强子时，发现所有26个CNEs都与9个已知增强子重叠。

我们注意到，22个鲸目动物特异性变化位于SHH增强子preZRS-ZRS。我们通过进一步研究了ZRS中22个鲸类，特异性突变可能感染的潜在转录因子结合位点。

Te结果显示，10个鲸类特异性突变，可能会影响与ZRS结合的45个转录因子。

重要的是，ZRS A1366G中的一个鲸类特异性突变，位于HOXD13结合位点的ZRS 17bp，蛇特异性缺失的同源区域。

此外，鲸类特异性突变A1366G位于两个已知转录因子（ETV5和ETS1）的结合位点内，参与与ZRS结合以调节肢体发育。

海洋哺乳动物的平行/趋同进化分析

我们研究了鳍前肢，在不同海洋哺乳动物对水生环境的反应中，是否表现出相似的进化模式；在海洋哺乳动物中，只发现了一个平行/收敛位点：FGF10（D42G）。

此外，我们还筛选了41个不同于其他哺乳动物的鲸类特异性突变。例如，在BMP4（I79V和H248R）和BMP7（Y179H、R189H和H267Q）中分别发现了2个和3个特异性突变。发现16个突变（39.02%，16/41）位于功能域。

SHH信号的进化有助于鲸类小鳍前肢的形成，鲸类动物的前肢进化成鳍，减少在水中移动时的阻力，促进群体进入完全水生环境。

值得注意的是，鲸类动物是唯一一群有四肢亢进的哺乳动物。先前的研究表明，在动物模型中，SHH信号（如SHH、PTCH1和SMO）涉及手指伸长的维持和额外的关节诱导。

例如，当SHH珠种植在发育中的手指原基时，SHH蛋白可以在鸡趾中诱导额外的指骨，提示SHH基因可能控制指骨的数量。

我们的研究发现，在三个参与SHH信号传导的基因中，存在15个鲸类特异性氨基酸的变化，这可能会导致鲸类中额外的指骨形成。

实际上，激活SHH信号通路需要SHH，与其多通道跨膜受体Patched-1（PTCH1）结合，通过平滑（SMO）转导信号。

PTCH1杂合子据报道，小鼠表现出类似于钳形成的并指。在PTCH1（10）和SMO (4)中检测了Tus、鲸类特异性突变。

这可能会影响鲸类前鳍前肢发育中，PTCH1和SMO的表达模式。早期的证据表明，骨形态发生蛋白（BMPs）成员，如BMP2、BMP4和BMP7，参与了关节形成。

特别是，BMP4在软骨细胞中表达似乎对正常关节形成是必要的，因为BMP4的应用刺激了非洲爪蟾（非洲爪蟾）穗中关节样结构的形成。

在鲸目谱系中共检测到11个突变，其中9个位于BMP2 、BMP4和BMP7 的功能域，支持BMP信号可能参与鲸目暴食的研究，需要进一步研究。

bmp也被发现能促进指间细胞凋亡，但其拮抗作用（GREM1）可使指间细胞在水鸟中存活。以前有报道称，鲸类指间蹼发生在鳍前肢，因为指间细胞凋亡在胚胎发育过程中被抑制的。

我们的研究在bmp的功能域中发现了9个鲸类特异性突变和1个GREM1的突变，这表明bmp和GREM1参与了调节指间细胞的存活，从而促进了鲸类独特的鳍状前肢。此外，在前肢鞘中特异性表达的TBX5是启动前肢生长所必需的，因为它的敲除导致小鼠的前肢完全缺失。

在鲸类谱系中，加速进化和6种特异性变化仅限于TBX5基因。综上所述，我们的证据表明，SHH信号（SHH、PTCH1和SMO）、bmp和TBX5可能有助于鲸类动物腓骨前肢的发育。

观察对应的基因

我们对鲸类动物的16个肢体相关基因，及其顺式调节元件进行了进化分析，并将其与其他哺乳动物进行了比较，为鲸类动物的鳍前肢和后肢丢失的分子基础，提供了新的见解。

我们的研究结果表明，SHH信号（SHH、PTCH1和SMO）的进化有助于鲸类夹钳的形成。

相反，我们认为低鲸类ZRS活性降低了SHH的表达，导致鲸类后肢丧失。FGF10和GREM1中海洋哺乳动物谱系中，CNEs的平行/收敛氨基酸和加速进化，可能与海洋哺乳动物的收敛鳍表型有关。

为了探究增强子中的鲸类特异性突变，是否能影响靶基因的调控活性，我们选择了SHH基因的增强子ZRS，通过双荧光素酶报告基因检测系统，进一步鉴定其激活能力。

从肌肉组织中扩增出代表性宽吻海豚和对照组小鼠的ZRS序列。将这两个序列克隆到pGL3-SV40荧光荧光素酶报告载体（E1771，Promega）中，包括pGL3-dZRS-Luc和pGL3-mZRS-Luc。

以pGL3-mZRS-Luc载体为模板，利用快速突变™定点突变试剂盒（D0206，Beyotime）引入A1366G突变，构建pGL3-mZRSmut-Luc。

从小鼠胚胎cDNA中扩增Te转录因子基因HOXD13，克隆到基因抄写公司的pcDNA3.1+质粒中，并采用单向方差分析来确定意义。此外，为了识别ZRS中转录因子结合位点（TFBS）的变化。

笔者观点

我认为，我们探讨了鲸类动物中，16个肢体相关基因，及其顺式调节元件的进化过程，并与其他哺乳动物进行了比较。

TBX5是一种前肢特异性表达基因，在鲸类动物的祖先分支中被发现正在加速进化。

此外，在SHH信号网络（SHH、PTCH1、TBX5、bmp和SMP和SMO）中，检测了32种鲸类特异性变化，其中突变可产生网状指或额外的指骨。

这些结果表明，SHH信号网络调控鲸类鳍鱼的形成。相比之下，SHH基因增强子ZRS在鲸类小鼠中的调控活性明显低于小鼠，这与鲸类胚胎发育过程中，后肢芽中SHH基因表达的停止相一致。

提示SHH活性的降低具有调节作用，通过增强剂的研究，ZRS可能是鲸类动物后肢退化的原因之一。

有趣的是，在FGF10和GREM1的海洋哺乳动物中分别发现了一个平行/收敛位点（D42G）和一个快速进化的CNE，并证明对限制肢芽大小至关重要。

这是解释海洋哺乳动物纤维前肢收敛和后肢缩短，或退化的分子证据。我们对鲸类动物的16个肢体相关基因，及其顺式调节元件进行了进化分析。

并将其与其他哺乳动物进行了比较，为鲸类动物的鳍前肢和后肢丢失的，分子基础提供了新的见解。

参考文献