首次发现爬行动物和人类心脏进化之间的遗传联系

2020-08-28 109爬行类

首次发现爬行动物和人类心脏进化之间的遗传联系。格拉德斯通心血管病研究所(GICD)的科学家们将人类四腔心脏的进化追溯到一个与海龟和其他爬行动物心脏发育相关的共同遗传因素。

这项发表在9月3日出版的《自然》杂志上的研究首次发现爬行动物和人类心脏进化之间的遗传联系,在海龟、蜥蜴和人类的心脏形成过程中,一种特定的蛋白质是如何启动基因的。

领导这项研究的格莱斯顿研究员贝诺伊特·布鲁诺博士说:“这是两个而不是一个心脏泵室进化的第一个基因联系,这是进化成为热血动物的关键事件。”相关基因Tbx5也与人类先天性心脏病有关,因此我们的研究结果也为人类疾病的研究带来了新的视角。”

研究背景

从进化的观点来看,爬行动物在心脏进化中占据了一个临界点。

鸟类和哺乳动物的心脏有四个室,青蛙和其他两栖动物有三个室。”心脏是如何从三腔进化到四腔的?”布鲁诺说不同的爬行动物提供了一种从三个房间到四个房间的连续体。通过对它们的研究,我们学到了很多关于人类心脏腔通常是如何形成的。”

他解释说,人类和所有其他哺乳动物有四个腔室,两个心房和两个心室,血液流向肺部和身体其他部位是完全分开的,这对我们保持温血至关重要。

当涉及到爬行动物,如海龟和蜥蜴,关于它们是否有一个或两个心室的争论,这就是泵气室。”布鲁诺博士说:“我们了解心脏进化的主要问题是确定这些早期爬行动物心室的真正性质,并弄清楚是什么控制了心脏向左右两侧的分离。”

研究内容

为了更好地了解爬行动物心脏的进化,布鲁诺博士的团队利用现代分子遗传学来研究Tbx5。编码Tbx5的人类基因突变会导致先天性心脏病,尤其是心室间隔(将心室分成两部分的肌壁)的缺陷。Tbx5是一种转录因子,是一种可以打开或关闭其他基因的蛋白质。在右心室和其他哺乳动物中,Tbx5水平较高。高、低水平的界限就在隔膜形成的地方,将心室分成两部分。”Bruneau博士说:“基于这些观察结果,我们认为Tbx5是一个很好的候选因子,可以作为分隔带演化的关键角色。”

研究小组观察了Tbx5在海龟和绿蜥蜴体内的分布。在两种爬行动物心脏形成的早期阶段,Tbx5活性遍布整个胚胎心室。蜥蜴只有一个心室,这种模式在心脏发育过程中保持不变。然而,在具有原始隔膜的海龟体内,Tbx5的分布后来逐渐局限于左心室区域,从而导致Tbx5活性的左右梯度。这意味着海龟体内Tbx5的梯度形成的时间较晚,也不如有清晰隔膜的物种,如哺乳动物,提供了一个关于分隔如何进化的诱人线索。

然后他们想确定Tbx5是否真的是分隔的主要调节器还是仅仅是一个旁观者。小鼠被基因工程改造成在整个发育中的心脏中以中等水平表达Tbx5,就像海龟心脏一样。通过模仿海龟的图案,老鼠的心脏现在就像海龟的心脏。这些老鼠的后代死得很早,只有一个心室。这一惊人的结果最终表明,一条清晰的线勾勒出一个高水平的Tbx5区域,对于诱导两个心室之间的隔膜的形成是至关重要的。

研究意义

Bruneau博士说:“这确实说明了Tbx5在心脏形成模式以允许发生隔膜方面的重要性。”

在进化过程中,新的基因调控元件进化来告诉Tbx5基因形成一个清晰的Tbx5表达边界。这导致了两个心室。研究人员现在将致力于确定爬行动物进化过程中的基因调控机制。这项研究对理解先天性心脏病也有重要意义,先天性心脏病是最常见的人类出生缺陷,全世界每一百个新生儿中就有一个先天性心脏病。人类出生时只有一个泵腔,类似青蛙心脏,死亡率最高,新生儿时需要进行广泛的手术。

布鲁诺博士解释说:“我们的研究(首次发现爬行动物和人类心脏进化之间的遗传联系)为心脏的进化提供了令人兴奋的新见解,这是100多年来从未被研究过的。”在更大的背景下,它提供了一个很好的支持,即在进化过程中,各种调节分子表达水平的变化是重要的。通过这些研究,我们还希望进一步了解先天性心脏病患者的间隔缺损是如何发生的。”

引用

Gladstone Institutes. "First Genetic Link Between Reptile And Human Heart Evolution Found." ScienceDaily. ScienceDaily, 3 September 2009. www.sciencedaily.com/releases/2009/09/090902133629.htm.

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