自由手指在陆地上具有许多明显的优点，例如在运动和抓握中，而蹼状手指是典型的水生动物或滑翔动物。但是两栖动物和羊膜动物 - 包括哺乳动物，爬行动物和鸟类 - 都可以有蹼状数字。在日本的新研究中，科学家们首次表明，在胚胎发育过程中，一些动物物种会检测到大气中的氧气，从而触发了趾间带状物的去除。他们的研究发表在6月13日的“发育细胞”杂志上。
两栖动物 - 像青蛙，蟾蜍，火蜥蜴和蝾螈这样的动物 - 通过数字之间的差异生长模式和它们之间的区域或者叉指区域形成没有织带的手指。相比之下，羊膜动物依赖于叉指细胞死亡，或数字之间织带中细胞的死亡，这种机制有助于肢体形状的更大变化。
“我们发现，通过细胞死亡去除趾间膜取决于活性氧(ROS)的产生，活性氧只在发育过程中暴露于足够氧气水平的胚胎中发生，”东京工业大学的高级作者田中美子说。 。
由于高氧水平可以诱导青蛙的细胞死亡，研究人员认为这种机制可能是所有四足动物共有的 - 两栖动物和羊膜动物。“但是两栖动物并没有利用细胞死亡来塑造他们的趾间区域;数字和趾间区域之间的增长率差异将决定它们的最终比例，”她说。“我们认为两栖动物中的叉指细胞死亡仅作为高氧水平的副产品出现，这是这一进化过程的第一步。这一新步骤最终被整合到肢体发育中，成为塑造现代羊膜动物肢体的必要条件。 “。
在他们的研究中，Tanaka的团队检查了几个物种的胚胎。在鸡胚胎中，一种具有叉指细胞死亡的羊膜，改变氧气水平直接影响垂死细胞的数量。他们还指出，非洲爪蛙(一种通常缺乏它的两栖动物)增加了环境氧气引起的叉指间细胞死亡的数量。并且增加这些青蛙肢体中的血管密度也会导致细胞死亡。
为了获得进化观点，研究人员还研究了另外两种两栖动物的细胞死亡和ROS，即日本火腹蝾螈和coquí青蛙。像非洲爪蛙一样，日本火腹蝾螈没有趾间细胞死亡，但是coquí青蛙在它们的趾间区域有垂死的细胞。重要的是，与其他两种两栖动物不同，coquí青蛙在陆生卵中没有蝌蚪阶段生长，并从空气中呼吸氧气。“通过这种方式，我们在实验和比较中都表明，叉指细胞死亡与四足动物(四足脊椎动物)的生活史策略和氧气可用性相关，”田中说。
研究人员解释说，叉指区域富含血管，是组织氧气的来源。部分氧气可以转化为ROS。“矛盾的是，ROS在传统上被认为是老化和不育等恶性，”她说，“但是很明显，ROS的生理水平会根据每个细胞而变化，并在发育过程中和成人中调节几种信号通路。生物。”
该团队认为，有两个主要因素使得叉指区域对ROS的增加敏感 - 活跃的Bmp信号传导和血管重塑。近20年来，Bmps被描述为诱导羊膜四肢细胞死亡的关键。“然而，这条路径也在模拟数字和关节的数量方面发挥作用，并且在两栖动物的交叉指数区也很活跃，”她说。以同样的方式，血管重塑增加了四肢的氧气可用性，并与羊膜中的叉指细胞死亡相关，但是是另一个过程的一部分：手指的骨化。
“但有趣的是，虽然羊膜动物和两栖动物都可以有自由手指或蹼状手指，但它们在这两组中形成的方式不同，”田中说。“羊膜动物获得的新发育机制 - 趾间细胞死亡 - 允许各种各样的肢体形状的演变，例如白骨的指状手指，甚至在马和骆驼中移除一些手指。”
展望未来，该团队有兴趣了解在开发过程中哪些途径受ROS调节。他们希望揭示细胞死亡如何成为进化过程中羊膜动物肢体发育不可或缺的一部分。他们还希望深入了解可能导致过量产生ROS的药物(如乙醇，苯妥英和沙利度胺)如何导致人类发育缺陷。
这项工作得到了武田科学基金会，藤原自然历史基金会，铃祖纪念基金会和美国国家科学基金会的支持。