环境中的氧气会导致蹼趾的丢失

2020-08-24 106爬行类

自由手指在陆地上有许多明显的优势,例如在移动和抓握方面,而蹼状手指是水生或滑翔动物的典型特征。但两栖动物和羊水动物(包括哺乳动物、爬行动物和鸟类)都可能有蹼趾。在日本的一项最新研究中,科学家们首次表明,环境中的氧气会导致蹼趾的丢失。在胚胎发育过程中,一些动物会检测到大气中是否存在氧气,从而导致指间蹼的脱落。他们的研究发表在6月13日的《发育细胞》杂志上。

研究背景

两栖动物——青蛙、蟾蜍、蝾螈和蝾螈等动物——通过手指和手指之间区域或指间区域的不同生长模式形成没有蹼的手指。相比之下,羊膜依赖于指间细胞的死亡,或指间织带中细胞的死亡,这是导致肢体形状变化更大的一种机制。

东京理工学院资深作者田中美子说:“我们发现,细胞死亡导致的指间膜的去除依赖于活性氧的产生,活性氧只发生在发育过程中暴露于足够氧水平的胚胎中。”

由于高氧水平可以导致青蛙的细胞死亡,研究人员认为这一机制很可能是所有四足动物共同的——包括两栖动物和羊水动物。”但是两栖动物不会利用细胞死亡来塑造它们的指间区;决定它们最终比例的是指间区和指间区之间生长速率的差异我们认为两栖动物的指间细胞死亡只是高氧水平的副产品,这是进化过程的第一步。这一新的步骤最终被整合到肢体发育中,并成为现代羊膜成形的关键。”

研究内容

在他们的研究中,田中的研究小组检查了几种物种的胚胎。在鸡胚中,羊膜指间细胞死亡,氧含量的变化直接影响死亡细胞的数量。他们还指出,环境中氧气含量的增加会导致非洲爪蛙的指间细胞死亡,这种两栖动物通常缺乏氧。增加这些青蛙四肢血管的密度也会导致细胞死亡。

为了获得进化的视角,研究人员还研究了另外两种两栖动物的细胞死亡和ROS,日本火腹蝾螈和柯克蛙。与非洲爪蛙一样,日本火腹蝾螈没有指间细胞死亡,但柯克蛙的指间区有死亡细胞。重要的是,与其他两种两栖动物不同,柯克蛙在陆地上的卵中没有蝌蚪阶段,并且从空气中呼吸氧气。”Tanaka说:“通过这种方式,我们在实验和比较中都表明,指间细胞死亡与四足动物(四足脊椎动物)的生活史策略和氧气利用率有关。”

环境中的氧气会导致蹼趾的丢失

研究人员解释说,指间区富含血管,血管是组织供氧的来源。部分氧气可转化为活性氧。”自相矛盾的是,ROS在传统上被认为是诸如衰老和不孕症的恶棍,“她说,”但越来越清楚的是,ROS的生理水平随每个细胞的不同而变化,并在发育过程中和在成年有机体中调节多种信号通路。”

研究小组认为,有两个主要因素使指间区对活性氧的增加敏感——活性Bmp信号和血管重塑。近20年来,BMP被认为是导致羊膜肢细胞死亡的关键因素。”然而,这条通路也在手指和关节的数量上起着作用,并且在两栖动物的指间区也很活跃。同样,血管重构增加了四肢的氧利用率,与羊膜指间细胞死亡有关,但也是另一个过程的一部分:手指骨化。

“但有趣的是,虽然羊水动物和两栖动物都可以有自由的或有蹼的手指,但在这两类动物中,它们的形成方式不同,”田中说羊膜获得的新的发育机制——指间细胞死亡——允许进化出各种各样的肢体形状,比如库茨的有裂片的手指,甚至马和骆驼的一些手指也被切除了。”

环境中的氧气会导致蹼趾的丢失,展望未来,该团队有兴趣确切了解哪些途径在发育过程中受ROS的调控。他们希望揭示细胞死亡是如何在进化过程中成为羊膜肢体发育的一个组成部分的。他们还希望深入了解,可能导致ROS过量产生的药物,如乙醇、苯妥英钠和沙利度胺,是如何导致人类发育缺陷的。

引用

Cell Press. "Environmental oxygen triggers loss of webbed digits." ScienceDaily. ScienceDaily, 13 June 2019. www.sciencedaily.com/releases/2019/06/190613143533.htm.

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