基因編輯成進化發育生物學領域“殺手級”技術

日期：2016-08-30 09:00:39

從1893年至今，幾乎在每年的夏季，年輕的發育和進化生物學者都會涌向美國馬薩諸塞州伍茲霍爾，鉆研業內的技術。在該校全球有名的海洋生物學實驗室中，參與其年度胚胎學課程的學生都會解剖海膽和櫛水母，此外還會移植來自不同動物的細胞。但是過去3年，這些滿腔熱情的學徒開始學習一些新東西：基因編輯。

精確而高效的CRISPR-Cas9基因編輯技術已經在生命科學實驗室刮起一股風暴。現在，該技術正在席卷進化發育生物學界，這一領域的目標是探尋解釋適應性進化的發育變化。

科學家并非簡單地推斷是什么導致諸如魚類如何演化出四肢等歷史上的類似過渡，而是利用CRISPR技術直接驗證這些假設。這種方法非常簡便：剪切掉那些認為與魚鰭生長有關的基因，然后就能了解這些魚是否會開始形成一些類似腳的組織。

這正是科學家8月17日在《自然》雜志發表的內容，他們借助CRISPR技術解釋魚類如何長出腳并開始行走。其他研究人員也利用該技術了解蝴蝶如何進化出精美的色彩，并了解甲殼類動物如何長出爪子。

“CRISPR是一種給生物學界帶來變革性的技術，對于進化發育生物學來說也是如此。”美國華盛頓特區喬治·華盛頓大學進化發育生物學家Arnaud Martin說，“我們現在可以做以前難以開展的事務。”

伊利諾伊州芝加哥大學古生物學家和發育生物學家Neil Shubin曾利用基因編輯技術檢查魚鰭的前端如何被四足類陸生脊椎動物的腳和腳趾替代。

研究人員已經知道，古代魚類后來演化出四肢，Shubin帶領團隊在2004年發現的一個距今37.5億年的古老化石似乎捕捉了這一過渡期的行為，他們還認為腳是進化過程中新出現的事物，在魚類組織內并沒有相應的對應體，因為魚鰭和腳是用不同種類的骨骼形成的。

但是Shubin表示，基因編輯已經改變了他的想法。該團隊利用CRIPSR技術使斑馬魚缺失了若干種hox13基因，而研究人員已經認為這些基因在魚鰭生長中扮演著關鍵角色。

這些突變異種均未生長出完善的腳，Shubin寫道，但是一些人認為“相當于手指的魚鰭”與四足類動物發育出的手指和腳趾一樣。“作為一名古生物學者，我研究和教授的是，這些是兩種完全不同的骨骼，在發育或進化學上毫無關聯。”Shubin說，“但是這項研究結果改變了我的這種假設。”

斑馬魚是通用的模型有機體，其基因組通常在實驗室進行編輯。但是CRIPSR技術大大加速了Shubin團隊的實驗。下一步的一個研究將是敲除魚類物種體內的hox13基因，使其更加接近古代獲得四肢的魚類，加州大學圣迭戈分校進化發育生物學家Aditya Saxena和Kimberly Cooper說。多虧CRISPR技術，這些現在已經實現，他們在一篇跟隨Shubin的文章同期發表的評論中說。

沒什么原因會讓人覺得這種技術不能用于其他研究以及其他生物物種。“CRISPR似乎可以在任何一種有機體內普遍使用。”Martin說，他已經成功將該技術用于一種叫作Parhyale hawaiensis的海洋甲殼類動物中。

在今年1月發表于《當代生物學》的一項研究中，他和加州大學伯克利分校同事Nipam Patel發現，使該物種體內不同的Hox基因失去活性會導致特定的身體附件如觸須和爪子發育混亂。如果研究人員能夠成功在實驗室培養該動物，就能獲得該動物的卵，Martin表示，他們應該利用CRIPSR。

這樣的靈活性對于進化發育研究人員來說非常重要，紐約大學發育神經生物學家Claude Desplan說，該團隊將CRIPSR技術應用于黃燕尾蝶，相關成果于今年7月發表于《自然》，該研究旨在檢測黃燕尾蝶眼睛的光感受器如何比果蠅等昆蟲識別更廣泛的色譜。他所在實驗室正在進行的實驗已經將該基因編輯技術應用于黃蜂和螞蟻。

到目前為止，發育進化生物學家一直在聚焦利用CRISPR技術刪除一個基因的活性或是導入其他的基因，比如編碼綠色熒光蛋白的基因，這可以更好地跟蹤動物的發育。但是Martin期望研究人員可以很快利用該工具精確改變動物體內的DNA序列，從而檢測具體基因變化的作用。它們可能包括調節DNA序列的改變，這會影響基因在哪里以及什么時候處于活性狀態，這或曾對四足類動物四肢演化的環境適應性有過貢獻。