基因组学将鳄鱼鳞片变成鸟状羽毛

乍一看，大多数人都不会认为短吻鳄或鸟类是进化的堂兄弟。但事实上，爬行动物是最亲近的鸟类亲属，而且都是来自两千万年前曾统治地球的“统治爬行动物”的龙族。Archosaurs引起了恐龙的时代，并最终将鸟类和爬行动物作为它们唯一的活着后代。最近，发现了许多具有全部或部分羽状物的过渡性恐龙化石。科学家们推测，羽毛恐龙的这些原始“原始羽毛”可能已经进化为帮助吸热，吸引配偶，使它们有能力更好地超越捕食者，并最终滑翔和飞翔。但究竟外皮和下层组织如何指定羽毛与鳞片 - 最终是飞行的演变 - 仍然是一个谜。

然而，这种丰富的进化遗产应该仍然嵌入所有活鸟和爬行动物DNA中。对于像再生医学医师，南加州大学凯克医学院病理学教授郑成明博士这样的科学家来说，现在已经成熟，可以利用现代基因组学的进步来研究负责的分子线索。羽毛和飞行的演变。在分子生物学和进化学高级在线版上发表的一项新研究中，Chuong带领一个国际团队确定了大量涉及规模和羽毛发育的新基因。“我们现在对这些假设的缺失环节有一个潜在的分子解释，”Chuong说。

他们还展示了通过在规模增长和发展的关键阶段打开和关闭关键分子电路，将鳞片变成羽毛的能力。“这些结果表明，不同的扰动会导致不同程度的羽毛转换，这意味着在给定适当的分子信号的情况下，鳞片具有形成羽毛的能力，”Chuong说。

对于该研究，该团队对发育中的雏鸡和短吻鳄进行了完整的RNA转录组和DNA基因组分析，以确定其基因表达差异以及规模或羽毛形成的关键基因。接下来，他们将这些独特的鸡毛基因放置在鳄鱼卵中，小心地将它们打开或关闭在它们正在生长的皮肤下面，以重新唤醒可以将鳞片变成羽毛的古老程序。

“我们的分析导致了对现代羽毛形成必不可少的五个形态调节模块的识别，”Chuong说。“我们建议这些模块最初可以演变为不同的策略，以便更好地适应。最终，五个形态调节模块的整合组合实现了今天非常成功的羽毛架构，允许Ave类将大部分开放天空作为其生态位“。

这些关键环路导致附属物的出芽和伸长，具有干细胞和真皮乳头的毛囊允许循环再生，具有不同分枝形式的倒钩脊形成和特定的羽毛角蛋白分化。

一些分子只能诱导五个标准中的一个，例如，Sox2基因可以打开羽毛出芽并完全抑制鳞片形成，而Grem1可以诱导倒钩状分枝。“其他分子，如维甲酸或Sox18，具有更强的诱导sc鳞片形成羽毛状皮肤附属物的能力，”Chuong说。“这些类似羽毛的附属物显示了定义羽毛的所有五个标准，表明它们在这种进化途径中处于更高的等级水平。”

这些主调节器可能是最早在古代拱形进化过程中适应的基因，并且可以获得新的能力来制造当今复杂的羽毛。“有趣的是，这些表型中的一些类似于羽毛恐龙化石中发现的不寻常的丝状附属物。”

受到“飞龙”的启发，吴平想要挑战鳄鱼皮以形成羽毛。通过强制表达sprouty和beta-catenin，他们发现有助于将鸡鳞转化为羽毛的基因，它们能够在鳄鱼胚胎皮肤中形成细长的鳞片。

该研究显着增加了已知在鸟类中诱导羽状结构的基因和分子的增长列表，并在鳄鱼中建立了一个强大的新系统，以测试和进一步探索飞行的演变。