Cell：科学家揭秘人类为什么可以直立行走?

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图片来源：medicalxpress.com

2016年1月11日 讯 / –近日，来自斯坦福大学等机构的研究人员通过研究在人类和灵长类动物机体中鉴别出了一种基因表达的改变，这种改变或可帮助揭示人类直立行走之谜；同时研究人员还对一种名为三刺鱼的鱼类进行了研究，这种鱼类可以进化出完全不同的骨骼架构来应对环境的改变，相关研究刊登于国际著名杂志Cell上。

文章中，研究者David Kingsley博士表示，一个从鱼类研究到人类的研究计划似乎看起来并不寻常，但很明显这种名为骨形态发生蛋白分子表达水平的改变或可导致明显的改变，而不仅仅是棘鱼骨骼的改变，其也会影响人类和灵长类动物下肢的改变，而这种改变可以帮助解释为何我们可以像黑猩猩一样进化形成后足来帮助机体承重并且使得我们直立行走。

文章中研究者鉴别出了控制鱼类骨骼“钢板”（armor plate）尺寸的基因组效应区域，随后他们对11对骨骼“钢板”发生改变的海水鱼和淡水鱼的差异性进行研究，最终锁定了名为骨形态发生蛋白家族成员GDF6基因区域，由于该基因附近调节性DNA序列的改变，因此淡水鱼就会表达出高水平的GDF6，同时海水鱼则会表达水平的GDF6。研究者想知道在人类进化过程中是否GDF6水平的改变会引发关键的骨骼修饰，而随后的其它研究表明，关键发育基因调节性区域的微小改变都会对脊椎动物带来深远的影响。

为了更加深入地研究到底是GDF6的哪一块区域被控制，研究人员利用黑猩猩机体的调节性DNA来控制该蛋白的产生，携带黑猩猩机体调节性DNA 同报道蛋白相偶联的实验室小鼠就会在其下肢强烈且特殊地表达该蛋白，而在前肢和脚趾外侧却不会；对小鼠进行遗传工程化修饰使其缺失产生GDF6的能力，结果显示，相比对照而言，这些小鼠的脚趾明显变短了而且头骨也缩小了，于是研究者表示，蛋白GDF6或许在机体四肢的发育和进化上扮演着重要的作用。

实际上，人类机体中缺失了下肢的调节性区域，这主要意味着人类在发育期间腿部和脚部会表达较少量的GDF6基因，但新生的胳膊、手部及头部却需要表达较高水平的该蛋白；缺失特殊的调节性序列就会缩短侧向脚趾，但并不是大拇指；这或许就可以帮助解释为何大拇指可以同其它侧向的脚趾相对齐。

最后研究人员Kingsley表示，这些骨形态发生蛋白是多种动物骨质和软骨生长的强烈信号，我们可以通过改变信号表达的时间和位置来产生新的骨骼结构，本文研究对于后期更加深入理解人类直立行走及人类进化的机制提供了新的思路和线索。

来源：生物谷

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doi:10.1016/j.cell.2015.12.007

PMC:

PMID:

Evolving New Skeletal Traits by cis-Regulatory Changes in Bone Morphogenetic Proteins

Vahan B. Indjeian4, Garrett A. Kingman, Felicity C. Jones5, Catherine A. Guenther, Jane Grimwood, Jeremy Schmutz, Richard M. Myers, David M. Kingsley

Changes in bone size and shape are defining features of many vertebrates. Here we use genetic crosses and comparative genomics to identify specific regulatory DNA alterations controlling skeletal evolution. Armor bone-size differences in sticklebacks map to a major effect locus overlapping BMP family member GDF6. Freshwater fish express more GDF6 due in part to a transposon insertion, and transgenic overexpression of GDF6 phenocopies evolutionary changes in armor-plate size. The human GDF6 locus also has undergone distinctive regulatory evolution, including complete loss of an enhancer that is otherwise highly conserved between chimps and other mammals. Functional tests show that the ancestral enhancer drives expression in hindlimbs but not forelimbs, in locations that have been specifically modified during the human transition to bipedalism. Both gain and loss of regulatory elements can localize BMP changes to specific anatomical locations, providing a flexible regulatory basis for evolving species-specific changes in skeletal form.

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