遗传电路揭秘：昆虫翅膀进化的神秘推动力

在大多数发育中的组织中，称为形态发生因子的信号就像灯塔一样，引导附近的细胞走向它们的命运，并告诉它们该成为什么。每个细胞都依赖这些信号来形成器官和肢体等有序结构。但如让-保罗·文森特所说，‘为了让生命进化出大型结构，这些信号需要传播得特别远。’

文森特领导着克里克研究所的一组发育生物学家，研究细胞如何相互作用以在发育过程中形成器官。他们在果蝇中研究这个过程，因为建立了跟踪和操控基因功能的方法，使得能够以惊人的精确度追踪形态发生因子信号。

在新研究中，团队识别出一个信号反馈环路，他们认为这可能对昆虫翅膀的进化以及因此而来的飞行至关重要，研究结果已在当前生物学期刊上发表。

对于研究负责人、博士后科学家黄安琪而言，有一个形态发生因子引起了她的兴趣。“Dpp是一种在果蝇翅膀上以不同浓度存在的信号，我们知道它对翅膀的发育非常重要。”

“由于翅膀是在发育中的幼虫中孤立的组织块，它们无法从动物其他地方获得信号。我对 Dpp 信号是如何到达整个翅膀的细胞感到好奇，包括那些远离信号源的细胞。”

黄发现，随着 Dpp 信号在组织内的减弱，另一种叫做 Brinker 的分子形成了一个反向梯度。这个梯度是对 Dpp 梯度的反应而形成的。Brinker 基因受到 Dpp 的抑制，因此随着 Dpp 信号的减弱而逐渐增强表达。

“我们开始研究尽管 Dpp 梯度远离信号源的地方是微弱和嘈杂的，平滑的 Brinker 梯度是怎么形成的，”黄补充道，她与物理学家 Luca Cocconi、Ben Nicholls-Mindlin 和 Guillaume Salbreux 合作研究，发现 Brinker 是反馈回路的核心。

“一旦建立，Brinker 的反向梯度就会成为细胞位置信息的主要决定因素，远离 Dpp 信号源，”她描述道。

起源

团队对 Brinker 在进化过程中何时变得重要以增强 Dpp 的作用感到好奇。“这让我们深入探讨了进化的奥秘，”黄说。

“我们首先查阅了公开的基因组序列，想要找出哪些动物携带 Brinker 基因。我们发现了一条明确的线索——Brinker 只存在于昆虫中，而在与其密切相关的甲壳类动物中则没有。”

昆虫是最早进化出翅膀的动物，但有些昆虫仍然没有翅膀，例如火虫（火蚤），属于火蚤目（Zygentoma）。黄想知道火虫是否携带 Brinker 基因，以及 Brinker 蛋白在这个物种中是否也形成反向梯度。

在这部分研究中，她需要火虫的基因组序列，大小与人类基因组相当。通过与克里克基因组设施的科学家交流，她得知圣格尔研究所的生命之树项目研究人员即将完成火虫的基因组序列。

她掌握了必要的信息，以证明 Brinker 存在于这种没有翅膀的物种中，然后进行了额外的实验，以表明在火虫（firebrats）中，Brinker 并不形成梯度，并且尚未与 Dpp 信号传导相连接。

这表明，Brinker 介导的反馈回路可能是有翅昆虫的一项进化上的创新。

“昆虫是第一批进化出飞行能力的动物，大约在 4 亿年前，那时树木刚刚出现在地球上，”文森特补充道。

“因此，Brinker 的加入与 Dpp 信号网络的结合恰好是昆虫能够探索地面以上的新栖息地的时机，从而成为生命树上最成功的类别之一。”