De laatste gemeenschappelijke voorouder van koppotigen en gewervelde dieren bestond meer dan 500 miljoen jaar geleden. In feite is een inktvis nauwer verwant aan een mossel dan aan een persoon. Toch evolueerden de twee geslachten onafhankelijk van elkaar camera-lensachtige ogen met zeer vergelijkbare kenmerken:een enkele lens aan de voorkant en een komvormig, beeldgevoelig netvlies aan de achterkant.

Door de gelijkenis vragen wetenschappers zich al tientallen jaren af ​​hoe inktvis en hun neven hun ogen krijgen. In onderzoek dat deze week is gepubliceerd in BMC Biology , een Harvard-lab komt dichter bij het ontrafelen van het mysterie.

De onderzoekers van het FAS Center for Systems Biology ontdekten een netwerk van genen die belangrijk zijn voor de ontwikkeling van inktvissen en waarvan bekend is dat ze ook een cruciale rol spelen bij de ontwikkeling van ledematen bij dieren, waaronder gewervelde dieren en insecten. De wetenschappers zeggen dat deze genen zijn hergebruikt in inktvissen om ogen van het type cameralens te maken.

De resultaten kunnen onderzoekers helpen begrijpen hoe deze genen en de cellulaire paden waarvan bekend is dat ze werken, echt functioneren bij zowel koppotigen als gewervelde dieren. Ze bieden ook een innovatief voorbeeld van hoe verschillende dierlijke geslachten de genetische hulpmiddelen in hun arsenaal vakkundig kunnen kapen en aanpassen om verrassende evolutionaire prestaties te bereiken.

"Dit was behoorlijk schokkend omdat maar heel weinig mensen denken dat een ooglens heel erg op een been lijkt", zegt Kristen Koenig, een John Harvard Distinguished Science Fellow en senior auteur van het onderzoek. "Een van de grote vragen in de biologie is hoe je nieuwe [morfologische kenmerken] maakt. De inktvislens is een noviteit voor hun afkomst. Ze moesten een lens helemaal opnieuw maken om echt goed te kunnen zien. Wat dit werk impliceert, is dat je de tools die je hebt moet nemen en ze voor nieuwe doeleinden moet gebruiken."

De wetenschappers van het Koenig-lab theoretiseren dat het netwerk van genen die ze in inktvis ontdekten misschien niet belangrijk is voor het maken van specifieke organen, maar dat ze misschien iets generieker doen dat nuttig is voor bepaalde ontwikkelingsfuncties, waaronder de ontwikkeling van zowel ledematen als lens. Deze andere ontwikkelingsfuncties kunnen nauwkeurige genexpressie omvatten die de juiste typen, aantallen en vormen van cellen op het juiste moment op de juiste plaats plaatst. Ledematen en ooglenzen beginnen bijvoorbeeld als een plat vel cellen dat een patroon krijgt in concentrische cirkels, een rooskleurig ontwerp, en zich van daaruit ontwikkelt tot hun uiteindelijke vorm.

"Onze bevinding breekt het idee af dat het netwerk uitsluitend is geëvolueerd voor de functie 'uitgroei van ledematen', maar eerder een bredere functie dient voor elk soort patroon dat dit concentrische cirkelachtige motief vereist, inclusief ledematen, lens, tandgroei en mogelijk andere we moeten het nog identificeren", zegt Kyle J. McCulloch, een postdoctoraal onderzoeker in het Koenig-lab en hoofdauteur van het onderzoek.

Onderzoekers kregen een beter idee van de rol die deze genen spelen bij de ontwikkeling van inktvisogen door een cellulair pad te manipuleren dat de WNT-signaleringsroute wordt genoemd. Bij fruitvliegen is het de route die bekend staat voor het ontsteken van de genen die leiden tot de ontwikkeling van ledematen.

De onderzoekers vroegen zich af hoe een groep genen die belangrijk zijn voor de beenontwikkeling de ooglens maakte en wat de WNT-signaalroute deed bij de lensontwikkeling. Ze voerden het experiment uit op inktvisembryo's en ontdekten dat overactivering van dit pad resulteerde in verlies van de ooglens. Dit is wat de wetenschappers ertoe bracht te geloven dat verschillen in hoe WNT-signalering op deze genen inwerkt, belangrijk kunnen zijn voor hoe de inktvis de genexpressie in de ledemaat versus de lens controleert.

Het lab is van plan om deze genen te blijven bestuderen en hun functie bij lensontwikkeling te vergelijken met hun functie bij de ontwikkeling van andere morfologische kenmerken.

"Uiteindelijk toont dit werk de kracht van het bestuderen van verschillende systemen," zei Koenig. "Het is verrassend dat genen die we zo goed hebben bestudeerd in andere modelsystemen zoals fruitvliegen en gewervelde dieren, en waarvan we dachten dat we begrepen dat hun functie samen was om poten te maken, worden gebruikt voor dit totaal andere orgaan in de inktvis. Het verandert hoe we denk na over wat deze canonieke genen in ontwikkeling doen. Door over de diversiteit van het leven te kijken, kunnen we misschien beter begrijpen wat deze genen doen."