zachowane sekwencje w opsynach fotoreceptorów kręgowców i bezkręgowców (1), a geny homologiczne, takie jak Pax-6 zaangażowane w rozwój oka w obrębie phyli (2), podważają hipotezę, że oczy kręgowców i bezkręgowców miały wyraźne pochodzenie ewolucyjne (3, 4). Ta hipoteza była zakorzeniona w dramatycznych różnicach w embriogenezie, fototransdukcji i mechanizmach obrazowania optycznego w oczach różnych gatunków (5). Dane sekwencjonowania sugerują jednak, że wszystkie metazoańskie fotopigmenty prawdopodobnie miały wspólne pochodzenie, więc chociaż fotopigment z plam oczu płazińców nie został sklonowany, byłoby zaskakujące, jeśli nie jest to opsin.
fotopigment to jednak nie oko. Ewolucja oczu, jako złożonych narządów, może nadal być polifiletyczna. Rozważ jeden z najbardziej przekonujących przypadków zbieżnej ewolucji: obrazotwórcze Oczy mięczaków głowonogów i kręgowców (6). Chociaż te oczy wyglądają niezwykle podobnie w projektowaniu, te podobieństwa nie są homologami. Ani prymitywne mięczaki, ani prymitywne kręgowce nie mają znacznie więcej niż plamki ocznej, co sugeruje niezależną ewolucję oka kamery w tych dwóch fylach, zaczynając od prostych, przodkowych struktur fotorecepcyjnych. Embrionalne pochodzenie potwierdza to podwójne pochodzenie (patrz Rys. 1). W rozwoju kręgowców, siatkówka nerwowa wybrzuszenia z ventrolateral przedmózgowia jako pęcherzyka wzrokowego, naciska na wewnętrzną warstwę pokrywającego naskórka, i powoduje, że zagęścić i stać się soczewki. Soczewka następnie indukuje naskórek pokrywający, aby przebić się do tkanki rogówki. Pęcherzyk optyczny następnie inwolduje się w kielich optyczny, którego zewnętrzne krawędzie tworzą ciało rzęskowe i tęczówkę (7). U głowonogów embrionalne pochodzenie siatkówki nerwowej jest łożyskiem obwodowym, a soczewka, tęczówka i rogówka tworzą się z kolejnych fałdów ektodermy, które otaczają rozwijające się oko. Soczewka jest acelularna; zbudowana jest z długich procesów przypominających palce, które łączą się w centralną kroplę (8). Tak więc rozważania filogenetyczne i embriologiczne silnie sugerują, że dwoje oczu musiało ewoluować niezależnie. Co więcej, wydaje się wysoce nieprawdopodobne, aby strukturalne podobieństwa u dorosłych były spowodowane zachowanym programem rozwojowym. Jednak ekspresja Pax-6 w rozwoju oka kałamarnicy podważa ten wniosek, jak opisano w tym wydaniu (9) ze współpracy między laboratoriami Gehringa i Piatigorsky ’ ego.
artykuł w tym numerze postępowania (9) rozszerza hipotezę, że Pax-6 ma ewolucyjnie zachowaną i krytyczną rolę w rozwoju oka. Pokazuje on, że istnieje homolog Pax-6 w kałamarnicach, który wyraża się w obszarze tworzącym oko i że nieprawidłowa ekspresja kałamarnicy Pax-6 może prowadzić do ektopowego tworzenia oka u Drosophila. Jeśli podobieństwa morfologiczne między oczami głowonogów i kręgowców ewoluowały dwa razy, dlaczego więc te oczy mają zachowany czynnik transkrypcyjny, który może regulować te procesy? Czy to przypadek? Historia muchy sprawia, że jest to mało prawdopodobne. Hipotezę, że istnieje ewolucyjny powód do zachowania roli Pax-6 w rozwoju oka, należy zatem traktować poważnie. Istnieją konserwatywne i śmiałe formy tej hipotezy ewolucyjnej. W pogrubionej wersji Pax-6 jest genem organogenezy, głównym regulatorem rozwoju oka. W bardziej konserwatywnej wersji Pax-6 jest genem wzorcowym, wyrażonym w głowie, który często był współwystępowany w celu regulacji poszczególnych aspektów rozwoju oka. Ale co dokładnie robi Pax-6?
Pax-6 jest jednym z dziewięciu członków rodziny czynników transkrypcyjnych kręgowców, które dzielą zachowaną sparowaną domenę pudełkową i homeodomenę (13). Geny Pax ulegają ekspresji w różnych wzorach podczas rozwoju, a tam, gdzie mutanty są dostępne, często pojawiają się oczywiste fenotypy zgodne z wzorcami ekspresji, co wskazuje na zasadniczą naturę tych genów (13). Na przykład Pax-1 bierze udział w rozwoju grasicy i dysku międzykręgowego; Pax-2 bierze udział w rozwoju łodygi optycznej i nerek; Pax-3 bierze udział w rozwoju grzebienia nerwowego i tak dalej (13). U kręgowców Pax-6 jest wyrażany nie tylko w oku, ale także w placodach nosowych, diencefalonie i tylnym móżdżku i rdzeniu kręgowym (14, 15). Homozygotyczne zmutowane myszy Sey umierają jako zarodki z wadami w tworzeniu nosa, przedmózgowia i rdzenia kręgowego (16). U Much Gen ey ulega ekspresji w mózgu i nerwie brzusznym, a także w Dysku oka, a mutanty null nie przeżywają. Oznacza to, że u much ey jest również zaangażowany w rozwój nie tylko oczu. W squid Pax-6 ulega ekspresji w mózgu i ramionach, a także w tkance oka (9). Tak więc, być może kategoryzowanie Pax-6 jako regulatora tworzenia oczu nie czyni tego w pełni sprawiedliwym.
Pax-6 odgrywa ważną rolę w kilku aspektach rozwoju oka (17). Na przykład, jest oczywiste, że istnieje autonomiczny defekt w tkankach tworzących soczewki homozygotycznych myszy i szczurów Sey (16, 18). Zmutowane pęcherzyki optyczne Pax-6 mogą indukować normalny naskórek, tworząc soczewkę, ale pęcherzyki optyczne typu dzikiego nie mogą indukować soczewki w zmutowanym naskórku. Badania na kręgowcach sugerują, że Pax-6 reguluje geny krystaliczne w soczewce (19). Squid Pax-6 jest wyrażany w soczewce i postuluje się regulację krystaliny squid (9). Co ciekawe, krystaliny kałamarnic i krystaliny kręgowców są całkowicie niepowiązanymi białkami, które pierwotnie nie miały nic wspólnego z funkcją soczewki (20). Sugeruje to, że miejsca wiązania Pax-6 musiały pojawić się wtórnie w promotorach tych różnych genów. Tak więc, Pax-6 nie powinien regulować wspólnego białka soczewki przodków. Jeśli ma Ancestral rolę regulatorową w tworzeniu oczu, Pax-6 może być przewidywane kontrolować niektóre zachowane geny w oczach. Oczywistą możliwością jest homolog opsyny, ponieważ, jak sugerowano powyżej, jest prawdopodobne, że opsyny są naprawdę zachowanymi elementami narządów fotoreceptywnych. Jednakże Pax-6 nie ulega ekspresji ani w fotoreceptorach kręgowców, ani głowonogów (9, 21).
fakt, że zarówno mysie, jak i kałamarnice białka kodowane Pax-6 mogą prowadzić do ektopowego tworzenia oczu u much, można uznać za implikujący zachowanie zdolności Pax-6 do dopasowania się do zachowywanej hierarchii regulacji genów oka w całym królestwie metazoan. Jednak kiedy wszystkie trzy gatunki mają tak wyraźne elementy strukturalne i funkcjonalne, ta interpretacja wydaje się prawie zbyt niesamowita. Skromniejszą propozycją jest to, że Pax-6 jest autoregulacyjny, jak wiele takich czynników transkrypcyjnych. Tak więc, jak podkreślają autorzy, możliwe jest, że Gen Pax-6 kałamarnicy lub myszy aktywuje natywny Gen ey U Much, który następnie reguluje geny muchy (9). Oczywistym eksperymentem, który należy wykonać, jest próba ratowania rozwoju oka w jądrach ey poprzez błędną ekspresję genów squid lub mysi Pax-6. Inną możliwością jest to, że specyficzność wiążąca DNA różnych homologów Pax-6 jest podobna, mimo że regulują one zupełnie inne geny u ich rodzimych gatunków. Dlatego więcej prac nad mechanizmami molekularnymi i swoistością docelową tych indukcji obcych genów może ujawnić obecność lub brak konserwowanych szlaków w molekularnej hierarchii rozwoju oka.
chociaż mutacje danio pręgowanego, które zmieniają przedni układ nerwowy, wpływają zarówno na ekspresję Pax-6, jak i na tworzenie oka (22), nie wykazano, że nieprawidłowa ekspresja Pax-6 u kręgowców może prowadzić do ektopowych oczu (21, 23). Być może Pax-6 jest wyższy w regulacyjnej ścieżce rozwoju oka u much niż u kręgowców, gdzie pęcherzyki wzrokowe wyraźnie tworzą się u homozygotycznych myszy Sey (24). Innym czynnikiem, który należy wziąć pod uwagę w tym względzie, jest specjalny potencjał rozwojowy dysków imaginalnych Drosophila. Badania wykazały, że dyski skrzydłowe mogą, jeśli są hodowane seryjnie w odwłokach dorosłych samic, spontanicznie zmieniać swój los i tworzyć złożone oczy, gdy są zmuszone do różnicowania się poprzez usunięcie z żywiciela i wprowadzenie z powrotem do larwy, która zaraz się przepoczwarzi (25). Taka spontaniczna transdeterminacja z jednego losu do drugiego jest osobliwością imaginalnych dysków. Jako struktury odłożone do późniejszego rozwoju, imaginalne tarcze mogą odpychać nieodpowiednie losy, ale nie zamykać ich całkowicie. W ten sposób dyski można porównać do pluripotencjalnych komórek blastycznych. Co ciekawe, tak jak ektopowa ekspresja ey powoduje transdeterminację dysków skrzydłowych w oczy, ektopowa ekspresja bezskrzydłowej cząsteczki sygnalizacyjnej prowadzi do transdeterminacji dysków kończyn w skrzydła (26). Tak więc, błędna ekspresja tych genów, i prawdopodobnie innych, w dyskach imaginalnych Drosophila może zmienić ich potencjał losowy w sposób, który nie jest możliwy w zarodku kręgowców lub jakiegokolwiek zwierzęcia, w którym rozwój dorosłych struktur jest bezpośredni, a nie opóźniony. Hierarchia molekularna wczesnego rozwoju oka jest niewątpliwie intrygującym problemem. W Drosophila bierze udział kilka genów, w tym Pax-6, sinusoida i oczy nieobecne. Co uderzające, homolog kręgowców sinus-oculis, zwany Six-3, ulega ekspresji w rozwijających się regionach oczu i może działać przed Pax-6, ponieważ mutanty Sey mają normalną ekspresję Six-3 (27). Odkrycie innych czynników regulacji oka dzielonych między muchami i kręgowcami z pewnością wzmacnia związek między Pax-6 A organogenezą oka, ale jednocześnie zagraża prymatowi Pax-6 w tym procesie.
aby zrozumieć szczególny związek między Pax-6 A oczami, ważne będzie odkrycie wzorca przodków ekspresji Pax-6. Nicienie mają homologi Pax-6 i często były umieszczane na drzewach ewolucyjnych w pobliżu punktu rozgałęzienia kręgowców / bezkręgowców. Funkcja homologów Pax-6 u tych zwierząt może rzucić światło na funkcję przodków Pax-6. Mutanty w tych genach mają wady obwodowych narządów zmysłów ogona (mab-18) lub nieprawidłowości w głowie (vab-3) (28, 29). Ale-nicienie nie mają oczu ani żadnych znanych komórek fotoreceptywnych, podobnie jak dorosłe jeżowce, które wyrażają szanowany Gen Pax-6 w swoich stopach rurkowych (30)! Szkarłupnie, jako deuterostomy, są zwykle umieszczane w drzewach ewolucyjnych u podstawy ewolucji chordatowej. Jednak robak wstęgowy, który ma oczy związane z ekspresją Pax-6, wydaje się być na linii poprzedzającej podział kręgowców/bezkręgowców (31). Jeśli nicienie i szkarłupnie utraciły swoje narządy fotosensoryczne, Pax-6 mógł przyjąć nowe role u tych gatunków. Z drugiej strony, istniejące dane ewolucyjne dotyczące Pax-6, zebrane razem, mogą również wspierać tezę, że Pax-6 nie jest tak naprawdę genem organogenezy, ale raczej genem wzorcowym dla głowy, miejsca, w którym większość, ale nie wszystkie, zwierzęta wyewoluowały z oczu.
może być zbyt wiele nierozwiązanych pytań, aby sceptycy mogli obecnie kupować odważną hipotezę, ale nie mogą jej wykluczyć. Interesujące będzie zatem kontynuowanie ewolucyjnego badania ekspresji i funkcji Pax-6, zwłaszcza u organizmów, które nie mają oczu lub są bardzo prymitywne. Na przykład pojawiły się wstępne spekulacje, że prymitywne plamy oczu płazińców wyrażały Pax-6 (32). Warto to wiedzieć, ponieważ płazińce wyraźnie reprezentują bardziej stan przodków niż inne dotychczas badane zwierzęta. Co, jeśli te zwierzęta miały oczy, ale nie miały Pax-6, albo co, jeśli miały Pax-6, ale nie było to wyrażone w ich oczach?
