所有脊椎动物都有相同的基本身体结构：头部、脊柱、四个附属物。这些附属物的大小、形状和功能当然有很大差异——从鳍到翅膀、手臂和腿——但一项新的遗传分析表明，在附属物末端控制发育的基因有着深厚的进化历史。

在本周发表在《国家科学院院刊》上的一项研究中，芝加哥大学和西班牙安达卢西亚发育生物学中心的研究人员使用基因编辑工具来展示一个基因如何控制末端骨骼的生长。的鱼类鳍发挥在四足动物形成手指和脚趾相同的作用。同样的基因也控制着成对鳍(四肢的祖先)和在成对鳍之前进化的所有鱼类共有的单个未成对背鳍中的这一过程。这表明，近 5 亿年前，鳐鱼和叶鳍鱼之间的最后一个共同祖先已经拥有塑造它们的附属物的遗传工具包，直到今天，鱼类和四足脊椎动物也共享这些附属物。

“鳍和四肢之间存在这种深刻的同源性或相似性，这种古老的结构实际上看起来并不相似，”芝加哥大学罗伯特 R. 本斯利解剖学杰出服务教授、合著者尼尔舒宾博士说新的研究。“我们展示了一种高度保守、古老且保存完好的基因功能，这种功能已经以截然不同的结构存在了数亿年。因此，分子工具包是古老的，它在不同种类的动物身上做着同样的事情。”

该研究是 Shubin 和已故西班牙的 José Luis Gómez-Skarmeta 合作的延续，合作始于马萨诸塞州伍德霍尔的芝加哥大学附属海洋生物实验室。2018 年，他们发表了一项研究，追踪了刺猬索尼克 (Shh) 基因的表达，该基因广泛用于各种基本生物学功能，但在四肢的形成中尤为重要。在该研究中，他们确定了控制小鼠四肢发育但分别影响鱼背鳍和成对鳍的遗传增强剂组合。

在这项新研究中，同样来自安达卢西亚中心的 Shubin、Gómez-Skarmeta 和 Joaquin Letelier 专注于另一种与 Shh 一起工作的基因，称为 gli3。众所周知，这种基因会在四肢中形成数字图案，帮助确定从拇指到小指的每个人的身份。gli3 突变的人类通常会长出额外的手指，这就是所谓的多指，而在实验室中敲除 gli3 的老鼠也会长出额外的手指。研究人员想看看 gli3 在鱼类中是否也以同样的方式工作，因此他们使用 CRISPR 基因编辑工具在青鳉中将其敲除，青鳉是一种受欢迎的小型观赏鱼，也被称为稻鱼。gli3 基因敲除鱼还进化出了多指鱼，在鳍基部有多个放射状骨和更多的鳍条。有趣的是，

对小鼠和鸡胚胎的研究表明，gli3 参与细胞增殖过程，这对其在多指畸形中的作用是有意义的;如果敲除基因会导致更多的细胞在附肢中生长，它也会导致更多的数字。对鱼的进一步遗传分析表明，gli3 还参与鳍中的细胞增殖，这表明物种之间存在很强的进化相似性。随着后来的陆生动物发展出更先进的四肢，gli3 承担了更专业的角色来控制它们的形状和图案。

“据推测，自大约 5 亿年前以来，所有脊椎动物的附属物中都存在 gli3 的原始功能，即促进增殖，或细胞数量，从而促进末端骨骼的数量，”舒宾说过。“当成对的鳍出现时，它已经存在了，所以 gli3 被选中并获得了一个新的角色，即前/后图案。”

Shubin 说，像 CRISPR 和测序这样强大的新遗传工具继续让科学家们能够追踪到更多有趣的线索，比如关于所有脊椎动物的深层共享历史。

“我们都共享一个特定的遗传工具包，尽管在成年阶段解剖结构可能看起来非常不同。我们正在发现这些隐藏但非常重要的机制相似性，”他说。“实际上，只有利用 CRISPR 进行敲除的能力和进行测序的能力，我们才能真正看到这些东西。它显示了所有脊椎动物中各种附属物的潜在结构和遗传平面图。 ”