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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(xiàn)在標準的實驗室動物(如線蟲、果蠅、青蛙和小鼠)那樣容易。

 

1210日,在《Current Biology》雜志發(fā)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(jié)肢動物(crustaceans)的基因,以了解這些基因如何控制生長和發(fā)育。研究人員想知道,哪些基因控制著端足目動物每一節(jié)段上附肢的發(fā)育,這種動物的身體就像一把瑞士軍刀,身體每一節(jié)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(zhuǎn)換了甲殼動物四肢的身份,例如,將爪轉(zhuǎn)換成腿,或者將下巴轉(zhuǎn)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(tǒng)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(jié)段中的無數(shù)基因。人體節(jié)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,MartinPatel想知道,在其19個節(jié)段當中,哪些Hox基因的功能是產(chǎn)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(jīng)在模式系統(tǒng)中產(chǎn)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(jīng)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(fā)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(xiàn)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(fā)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(diào)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(diào)控基因,其編碼的蛋白轉(zhuǎn)錄因子,可關閉或打開其他多種基因。從早期發(fā)育開始,它們就以不同的組合出現(xiàn)在身體的不同節(jié)段,從頭部到尾部。自從6億年前它們第一次出現(xiàn)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(chǎn)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(jié)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(zhuǎn)化為看起來完全像通常位于最后胸節(jié)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(zhuǎn)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(diào)整它們在不同節(jié)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(xiàn)在我們可以想出一個代碼,根據(jù)表達的是什么組合的Hox基因,決定發(fā)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。”

 


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