Az evolúcióbiológia egyik legizgalmasabb témája, hogy miképp következett be a szárazföld meghódítása a gerincesek által (hogy alakultak ki a szárazföldi életmódhoz alkalmazkodott állatcsoportok) és ennek megfelelően evolúcióbiológusokat régóta foglalkoztatja, hogy miképp alakult át a halszerű ősök mellúszója egy lábszerű végtaggá, amely aztán megtartotta gazdája súlyát a parton.
Hogy mi is történt (időgép hiányában) talán 100%-os pontossággal sosem lesz reprodukálható, de ettől persze próbálkozni lehet. Ebben nagy segítség a paleontológia, pontosabban azok a fosszíliák, amelyek ezt az átmenetet örökítik meg valamilyen módon, illetve sok mindent reprodukálhatunk abból is, ha mai halak mellúszófejlődését vetjük össze szárazföldi gerincesek végtagfejlődésével, keresve a hasonlóságokat és dokumentálva a különbségeket.
A legnagyobb név ezen a területen egyértelműen Neil Shubin (“A belső hal” szerzője), aki mindkét említett megközelítéssel kiemelkedőt alkotott: egyrészt ő a legendás Tiktaalik, az egyik legizgalmasabb átmeneti fosszília felfedezője, de emellett laborja jelentős része az említett fejlődésbiológiai kérdéseket vizsgálja, finoman szólva sem eredménytelenül.
A szárazföldi gerinces végtagfejlődés egyik kulcs mozzanata (itt írtunk erről hosszan), hogy a különböző Hox gének két, egymást követő hullámban kapcsolnak be. Az első hullám nagyon fontos a fel- és alkarcsontok kialakulásában, míg a második (késői) hullám pedig a kéz kialakulásáért felel.
Korai vizsgálatok alapján kérdéses volt, hogy a mai csontoshalakban (például zebrahalakban) megfigyelhető-e a második hullám – nagyon sok cikk született pro- és kontra a témában, mígnem 2014 végén Shubin csoportja egy elegáns cikkel zárta rövidre a vitát: sikerült izolálni azt a Hox-enhancert zebrahalban, ami a fejlődő úszóban a késői Hox fázisnak megfelelő helyen és időben irányította az expressziót.
Most megjelent Nature cikkükben ezt a kérdést göngyölítették tovább: felhasználva a korábban izolált enhancert (e16), megjelölték azokat a sejteket, amelyek valaha kifejezték ezt. Egerek esetében a késői-expresszióért felelős enhncert bekapcsoló sejtek később a kéztő és az ujjak csontjait hozzák létre. Némi meglepetésre halaknál valami analóg dolgot lehetett megfigyelni: vagyis az e16-enhancert kifejező sejtek később az úszósugarak kialakításában játszottak szerepet.
Egy laikus számára talán fura lehet, hogy miért meglepő mindez: az úszósugarak hosszú, hengeres struktúrák, a végtag végén, miért ne lenne egyértelmű, hogy homológok a mi ujjainkkal? A gond az, hogy a két struktúra fejlődésbiológiája teljesen más: míg az ujjcsontok egy porcos intermedieren keresztül alakulnak ki (hogy miért pont öt lesz végül az szintén izgalmas kérdés, de egy más lapra tartozik), addig az úszósugarak egy dermális csontosodásnak nevezett folyamat eredményeként jelennek meg, porcos intermedier nélkül. Emiatt sokan (korábbi cikkeiben maga Shubin is) abszolút elvetették a két képlet homológiáját, és mindeddig az volt a domináns nézet, hogy a szárazföld meghódításakor az állatok elvesztették az úszósugaraikat és amolyan evolúciós újításként ujjakat “kaptak”. Most fordulni látszik a kocka.
A másik izgalmas kérdés, amire Shubinék a cikkben választ keresnek, hogy mi történik, ha késői Hox-expresszió két kiemelten fontos génjét, a hoxa13-t és hoxd13-t kiütjük. Egerekben, amelyek ennek a két génnek az egér homológjaira mutánsok, a fenotípus elég drámai: a csuklótól/bokától kezdve a kezeik/lábaik teljesen hiányozni fognak. Halakban eleddig ennek a kísérletnek az analógját nem sikerült rendesen megcsinálni, részben azért, mert a hoxa13-ból két paralóg gén is létezett (a halakban ez gyakori dolog, egy régi genomduplikáció miatt), és három gén együttes kiütése a korábbi technikákkal nem volt kivitelezhető. A CRISPR-alapú genomszerkesztés azonban sok mindent megváltoztatott, így most erre is sor kerülhetett. Az eredmény hasonlóan drámai, mint egerekben: lerövidült, szinte teljesen eltűnt úszósugarak figyelhetünk meg a tripla mutánsokban.
És ez így egy szép kerek történetnek tűnik: az egykori úszósugarakból mára ujjak alakultak ki. Ami miatt azért még mindig hiányérzetem van, hogy azt nem lehet teljesen kizárni (és bár megemlítődik, de csak nagyon szőr mentén az eredmények tárgyalásában), hogy mint megannyi evolúciós újítás kialakuláskor a szóbanforgó Hox13 transzkripciós faktorok célgénjei megváltozhattak, s így bár fejlődéstanilag valóban ugyanazokból a sejtekből indulunk ki, ami halakban az úszósugarak kialakulásához vezet, de teljesen más fejlődési program valósul meg ezekben, mint az úszósugarak esetében. Ha pedig így lenne, a szó legszigorúbb értelmében mégsem tekinthetnénkk a két csoportban a “végtermékeket”, az ujjakat és az úszósugarat egymás homológjának.
(A fedőkép a NYTimesból származik.)
Gehrke AR, Schneider I, de la Calle-Mustienes E, Tena JJ, Gomez-Marin C, et al. (2015) Deep conservation of wrist and digit enhancers in fish. PNAS 112(3):803-8.
Nakamura T, Gehrke AR, Lemberg J, Szymaszek J, Shubin NH (2016) Digits and fin rays share common developmental histories. Nature doi: 10.1038/nature19322.