日内瓦大学的研究人员通过暂时修改Sonic hedgehog (Shh)基因的表达，将鸡的鳞片变成了羽毛，揭示了重大的进化转变可以在基因组没有重大变化的情况下发生。这项研究揭示了导致动物形态广泛多样性的机制。图片来源:©UNIGE / Cooper & Milinkovitch
UNIGE团队展示了如何特异性地修改基因ex压力导致羽毛更换鸡里有鳞片。
鳞片、脊柱、羽毛和毛发是脊椎动物皮肤附属物的例子，它们构成了一个非常多样化的微器官群。尽管这些附属物的自然形态多种多样，但它们在胚胎阶段的早期发育过程是相同的。日内瓦大学(UNIGE)的两名研究人员发现了如何通过特异性地修改某些基因的表达，将通常覆盖在鸡脚上的鳞片永久地变成羽毛的方法。这些结果发表在《科学进展》(Science Advances)杂志上，为研究使物种之间的形态发生激进进化转变的机制开辟了新的视角。
陆生脊椎动物的皮肤上装饰着各种角质化的附属物，如毛发、羽毛和鳞片。尽管物种内部和物种之间形式多样，但皮肤附属物的胚胎发育通常以非常相似的方式开始。事实上，所有这些结构都是由在皮肤表面产生局部增厚并表达特定基因的细胞发展而来的。其中一种基因叫做Sonic hedgehog (Shh)，它控制着一种信号通路——一种允许细胞内和细胞间信息传递的通信系统。Shh信号参与多种结构的发育，包括神经管、肢体芽和皮肤附属物。
共同的祖先
UNIGE科学学院遗传和进化系教授Michel Milinkovitch的实验室对产生脊椎动物皮肤附属物多样性的物理和生物过程感兴趣。特别值得一提的是，他的研究小组先前已经证明，毛发、羽毛和鳞片是从爬行动物的共同祖先那里遗传下来的同源结构。
一个基因(Shh)表达的短暂变化可以产生一连串的发育事件，导致羽毛而不是鳞片的形成。图片来源:©UNIGE / Cooper & Milinkovitch
鸡胚胎的羽毛被科学家们用作理解皮肤附属物发育的模型系统。虽然已知某些品种的鸡，如“Brahma”和“Sablepoot”品种，表现出有羽毛的腿和足背表面，但这种特征的遗传决定论尚未完全理解。
对永久变化的短暂修改
由于负责这种转化的信号通路尚未完全确定，米歇尔·米林科维奇的小组调查了Shh通路的潜在作用。“我们使用了经典的‘鸡蛋蜡烛’技术，即用强大的火炬照亮蛋壳内部的血管。这使我们能够用一种专门激活Shh通路的分子来精确地治疗鸡胚胎，直接注射到血液中，”米歇尔·米林科维奇实验室的博士后研究员、该研究的合著者罗里·库珀解释说。
两位科学家观察到，这种单一阶段的特殊处理足以在通常被鳞片覆盖的区域引发大量羽绒型幼鸟羽毛的形成。值得注意的是，这些实验诱导的羽毛与覆盖身体其他部位的羽毛相当，因为它们是可再生的，随后会自动被成年羽毛所取代。
在与注射了“对照”溶液(没有活性分子)的胚胎进行比较后，RNA测序分析显示，在注射了该分子后，Shh通路立即并持续被激活。这证实了Shh通路的激活是鳞片转化为羽毛的基础。
“我们的研究结果表明，从鳞片到羽毛的进化飞跃不需要基因组组成或表达的大变化。相反，Shh基因表达的短暂变化可以产生一连串的发育事件，导致羽毛而不是鳞片的形成，”米歇尔·米林科维奇说。这项研究最初集中于研究鳞片和羽毛的发育，因此对理解产生自然界中观察到的巨大动物形态多样性的进化机制具有重要意义。
