Den sista gemensamma förfadern till bläckfiskar och ryggradsdjur fanns för mer än 500 miljoner år sedan. Faktum är att en bläckfisk är närmare besläktad med en mussla än den är till en person. Trots detta utvecklade de två linjerna oberoende ögon i kameralinsstil med mycket liknande egenskaper:en enda lins framtill och en skålformad, bildavkännande näthinna på baksidan.

Likheten har fått forskare i årtionden att undra hur bläckfisk och deras kusiner får deras ögon. I forskning publicerad denna vecka i BMC Biology , ett Harvard-labb närmar sig att reda ut mysteriet.

Forskarna från FAS Center for Systems Biology upptäckte ett nätverk av gener som är viktiga för utvecklingen av bläckfiskögon som är kända för att också spela en avgörande roll i utvecklingen av extremiteter hos djur, inklusive ryggradsdjur och insekter. Forskarna säger att dessa gener har återanvänts i bläckfisk för att göra ögon av kameralinstyp.

Resultaten kan hjälpa forskare att förstå hur dessa gener och de cellulära vägar de är kända för att fungera på verkligen fungerar i både bläckfiskar och ryggradsdjur. De ger också ett innovativt exempel på hur olika djurstammar skickligt kan kapa de genetiska verktygen i deras arsenal och anpassa dem för att åstadkomma överraskande evolutionära bedrifter.

"Detta var ganska chockerande eftersom väldigt få människor tror att en ögonlins är väldigt lik ett ben", säger Kristen Koenig, en John Harvard Distinguished Science Fellow och senior författare till studien. "En av de stora frågorna inom biologi är hur man gör nya [morfologiska egenskaper]. Bläckfisklinsen är en nyhet för deras härstamning. De var tvungna att göra en lins från grunden för att kunna se riktigt bra. Vad detta arbete innebär är att du måste ta de verktyg du har och använda dem för nya ändamål."

Forskarna från Koenig-labbet har en teori om att nätverket av gener som de upptäckt i bläckfisk kanske inte är viktigt för att skapa specifika organ, men de kan göra något mer generiskt som är användbart för vissa utvecklingsfunktioner, inklusive utveckling av både lem och lins. Dessa andra utvecklingsfunktioner kan inkludera exakt genuttryck som placerar rätt typer, antal och former av celler på rätt plats vid rätt tidpunkt. Extremiteter och ögonlinser, till exempel, börjar som ett platt blad av celler som blir mönstrade till koncentriska cirklar, en bullseye-liknande design och utvecklas därifrån till sina slutliga former.

"Vårt fynd bryter ner idén om att nätverket utvecklades enbart för "lem utväxt" funktion, utan snarare tjänar en bredare funktion för alla typer av mönster som kräver detta koncentriskt-cirkelliknande motiv, inklusive lemmar, lins, tandtillväxt och potentiellt andra vi har ännu inte identifierat, säger Kyle J. McCulloch, postdoktor i Koenig-labbet och huvudförfattare till studien.

Forskare fick en bättre uppfattning om vilken roll dessa gener spelar i utvecklingen av bläckfiskögon genom att manipulera en cellulär väg som kallas WNT-signalvägen. Hos fruktflugor är det den väg som är känd för att tända de gener som leder till utveckling av extremiteter.

Forskarna undrade hur en grupp gener som är viktiga för benutvecklingen gjorde ögonlinsen och vad WNT-signalvägen gjorde i linsutvecklingen. De körde experimentet på bläckfiskembryon och fann att överaktivering av denna väg resulterade i förlust av ögonlinsen. Detta är vad som fick forskarna att tro att skillnader i hur WNT-signalering verkar på dessa gener kan vara viktiga för hur bläckfisken kontrollerar genuttrycket i extremiteten kontra linsen.

Laboratoriet planerar att fortsätta studera dessa gener och jämföra deras funktion i linsutvecklingen med deras funktion i utvecklingen av andra morfologiska egenskaper.

"I slutändan visar detta arbete kraften i att studera olika system," sa Koenig. "Det är förvånande att gener som vi har studerat så väl i andra modellsystem som fruktflugor och ryggradsdjur, och att vi trodde att vi förstod att deras funktion tillsammans var att skapa ben, används för detta helt annorlunda organ i bläckfisken. Det förändrar hur vi tänk på vad dessa kanoniska gener gör under utvecklingen. Genom att se över livets mångfald kan vi faktiskt förstå vad dessa gener gör mer exakt."