用CRISPR給動物“改頭換面”

日期：2015-12-14 09:09:58

CRISPR-Cas9基因編輯技術的簡單性，將很快使任何生物（從最簡單的黏菌到章魚）的基因研究，變得像現在標準的實驗室動物（如線蟲、果蠅、青蛙和小鼠）那樣容易。

12月10日，在《Current Biology》雜志發表一項新研究中，加州大學伯克利分校的研究人員用CRISPR-Cas9，很容易地敲除了一種端足目（Amphipod）節肢動物（crustaceans）的基因，以了解這些基因如何控制生長和發育。研究人員想知道，哪些基因控制著端足目動物每一節段上附肢的發育，這種動物的身體就像一把瑞士軍刀，身體每一節段都承載有不同的刀片或工具作為附肢。

與兩年前相比，加州大學伯克利分校的研究人員花費了更少的時間敲除了六個基因，從而揭示了它們在動物進化過程中決定腿部解剖學的基本遺傳機制。通過一個接一個地敲除所謂的Hox基因——該基因指定所有動物的身體部位，研究人員轉換了甲殼動物四肢的身份，例如，將爪轉換成腿，或者將下巴轉換成觸角。

加州大學伯克利分校的博士后研究人員Arnaud Martin說：“對于我們這些在實驗室研究非傳統模式生物的人來說，這是一場技術革命。CRISPR-Cas9確實改變了研究珍奇動物的可能性范圍，端足目動物是其中第一個。”

Martin正在研究的Hox基因家族，存在于所有的動物中，一些生物學家認為，動物可以被定義為具有Hox基因的任何生物。已知它們可打開或關閉身體每一節段中的無數基因。人體節段在脊柱中最為明顯，其中每種類型的脊柱都有獨特的形狀，這都是由Hox基因控制的。

在熱帶海洋端足目動物Parhyale hawaiensis中，Martin和Patel想知道，在其19個節段當中，哪些Hox基因的功能是產生昆蟲前面的口器，然后是爪子，接著是向前移動的腿、有力的跳躍腿推動甲殼的倒退、游泳腿和短粗的“錨”腿。

本文資深作者、加州大學伯克利分校分子細胞生物學和綜合生物學教授Nipam Patel指出：“CRISPR-Cas9已經在模式系統中產生了巨大影響，像果蠅和秀麗隱桿線蟲，在這些模式生物中已經有很多的研究工具。人們可以非常迅速地合并技術，并改變它們在這些動物中誘發突變體的方式。但我們也想研究很多其他的動物，因為我們可以用它們來回答非常基本的進化問題。CRISPR-Cas9是一項偉大的技術，可以實現這一點。”

其他研究人員最近利用CRISPR-Cas9在不常見的生物中（例如海葵、八目鰻和蝴蝶）進行基因編輯，以探究該工具是否起作用，但大部分都是使用CRISPR-Cas9的“原理證明”，以確認什么是已知的。

Patel說：“我們不僅僅只是表明它在Parhyale中起作用，而且想直接回答一個非常重要的發育和進化問題：在甲殼動物中你如何裝配所有這些肢體，進化如何通過改變Hox基因表達模式而改變肢體的模式。”

主調控基因

Hox基因復合體是一個復雜的基因簇，通常稱為主要調控基因，其編碼的蛋白轉錄因子，可關閉或打開其他多種基因。從早期發育開始，它們就以不同的組合出現在身體的不同節段，從頭部到尾部。自從6億年前它們第一次出現在我們的動物祖先中以來，進化與這個相同的基因復合體一起，產生了豐富多彩的動物形狀。

Martin說，端足目動物是研究這些基因的理想動物，因為它們的每一節段都有一種特定類型的腿，由九個不同的Hox基因決定。

他說：“從廣義上說它們是四肢——實際上是附肢。一些有感覺功能——觸角。其他一些則有抓握喂食的功能，像龍蝦爪子。其他附肢有運動功能——腿，或適于游泳的槳狀物。一個動物中所存在的這些差異，都是由Hox基因表達定義的。”

為了探討這六個Hox基因的功能，研究人員使用一種強有力的方法：利用CRISPR-Cas9酶，在每個端足目動物胚胎中，破壞或抑制這六個基因中的一個，從而使整個機體缺乏一個單獨的基因。然后他們就可以確定哪些基因控制著這一附件。

Patel說：“在一次最壯觀的變換中，我們把生有羽毛的游泳腿（位于腹前），通過移除一個基因，將其轉化為看起來完全像通常位于最后胸節上的大跳躍腿。在另一個實驗中，我們基本上準確地將端足目轉換成等足目：將一個被稱為“abdominal-A”的基因從胸部去除，這使得所有的步行腿相似，并都指向同一個方向。”

Patel指出，在真正的進化過程中，基因通常不被破壞或消除，而是調整它們在不同節段的開啟或關閉，得到不同的效果。Patel說：“如果不先消除基因以探測總效應，我們都沒法猜測，只是移動表達將會起到什么作用。現在我們可以想出一個代碼，根據表達的是什么組合的Hox基因，決定發育什么樣的四肢，我們正在進行新的實驗來進一步驗證這一代碼。”