基因编辑成进化发育生物学领域“杀手级”技术

2016-08-29 | 作者: 晋楠 | 标签: 基因编辑 生物进化



提塔利克鱼模型与化石,该过渡期化石有助于解释鱼类如何开始长出四肢。

图片来源:Field Museum Library/Getty Images

从1893年至今,几乎在每年的夏季,年轻的发育和进化生物学者都会涌向美国马萨诸塞州伍兹霍尔,钻研业内的技术。在该校全球有名的海洋生物学实验室中,参与其年度胚胎学课程的学生都会解剖海胆和栉水母,此外还会移植来自不同动物的细胞。但是过去3年,这些满腔热情的学徒开始学习一些新东西:基因编辑。

精确而高效的CRISPR-Cas9基因编辑技术已经在生命科学实验室刮起一股风暴。现在,该技术正在席卷进化发育生物学界,这一领域的目标是探寻解释适应性进化的发育变化。

科学家并非简单地推断是什么导致诸如鱼类如何演化出四肢等历史上的类似过渡,而是利用CRISPR技术直接验证这些假设。这种方法非常简便:剪切掉那些认为与鱼鳍生长有关的基因,然后就能了解这些鱼是否会开始形成一些类似脚的组织。

这正是科学家8月17日在《自然》杂志发表的内容,他们借助CRISPR技术解释鱼类如何长出脚并开始行走。其他研究人员也利用该技术了解蝴蝶如何进化出精美的色彩,并了解甲壳类动物如何长出爪子。

“CRISPR是一种给生物学界带来变革性的技术,对于进化发育生物学来说也是如此。”美国华盛顿特区乔治·华盛顿大学进化发育生物学家Arnaud Martin说,“我们现在可以做以前难以开展的事务。”

伊利诺伊州芝加哥大学古生物学家和发育生物学家Neil Shubin曾利用基因编辑技术检查鱼鳍的前端如何被四足类陆生脊椎动物的脚和脚趾替代。

研究人员已经知道,古代鱼类后来演化出四肢,Shubin带领团队在2004年发现的一个距今37.5亿年的古老化石似乎捕捉了这一过渡期的行为,他们还认为脚是进化过程中新出现的事物,在鱼类组织内并没有相应的对应体,因为鱼鳍和脚是用不同种类的骨骼形成的。

但是Shubin表示,基因编辑已经改变了他的想法。该团队利用CRIPSR技术使斑马鱼缺失了若干种hox13基因,而研究人员已经认为这些基因在鱼鳍生长中扮演着关键角色。

这些突变异种均未生长出完善的脚,Shubin写道,但是一些人认为“相当于手指的鱼鳍”与四足类动物发育出的手指和脚趾一样。“作为一名古生物学者,我研究和教授的是,这些是两种完全不同的骨骼,在发育或进化学上毫无关联。”Shubin说,“但是这项研究结果改变了我的这种假设。”

斑马鱼是通用的模型有机体,其基因组通常在实验室进行编辑。但是CRIPSR技术大大加速了Shubin团队的实验。下一步的一个研究将是敲除鱼类物种体内的hox13基因,使其更加接近古代获得四肢的鱼类,加州大学圣迭戈分校进化发育生物学家Aditya Saxena和Kimberly Cooper说。多亏CRISPR技术,这些现在已经实现,他们在一篇跟随Shubin的文章同期发表的评论中说。

没什么原因会让人觉得这种技术不能用于其他研究以及其他生物物种。“CRISPR似乎可以在任何一种有机体内普遍使用。”Martin说,他已经成功将该技术用于一种叫作Parhyale hawaiensis的海洋甲壳类动物中。

在今年1月发表于《当代生物学》的一项研究中,他和加州大学伯克利分校同事Nipam Patel发现,使该物种体内不同的Hox基因失去活性会导致特定的身体附件如触须和爪子发育混乱。如果研究人员能够成功在实验室培养该动物,就能获得该动物的卵,Martin表示,他们应该利用CRIPSR。

这样的灵活性对于进化发育研究人员来说非常重要,纽约大学发育神经生物学家Claude Desplan说,该团队将CRIPSR技术应用于黄燕尾蝶,相关成果于今年7月发表于《自然》,该研究旨在检测黄燕尾蝶眼睛的光感受器如何比果蝇等昆虫识别更广泛的色谱。他所在实验室正在进行的实验已经将该基因编辑技术应用于黄蜂和蚂蚁。

到目前为止,发育进化生物学家一直在聚焦利用CRISPR技术删除一个基因的活性或是导入其他的基因,比如编码绿色荧光蛋白的基因,这可以更好地跟踪动物的发育。但是Martin期望研究人员可以很快利用该工具精确改变动物体内的DNA序列,从而检测具体基因变化的作用。它们可能包括调节DNA序列的改变,这会影响基因在哪里以及什么时候处于活性状态,这或曾对四足类动物四肢演化的环境适应性有过贡献。

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来源:《中国科学报》

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