基因编辑成进化发育生物学领域“杀手级”技术
时间:2017-12-07

  基因编辑进入进化和发育生物学领域的“杀手”技术 - 新闻 - 科学网

  从1893年到现在,几乎每年夏天,年轻的发展和进化生物学家涌向马萨诸塞州伍兹霍尔,研究这个行业的技术。在学校世界着名的海洋生物学实验室里,参加年度胚胎学课程的学生除了从不同的动物身上移植细胞之外,还分解海胆和梳海蜇,但在过去的三年里,这些热心的学徒开始学习东西新:基因编辑。

  精确高效的CRISPR-Cas9基因编辑技术为生命科学实验室带来了风波。现在,这项技术正在席卷进化发展生物学的世界,而这一领域的目标是探索如何解释适应性进化的演变。

  科学家使用CRISPR技术直接验证这些假设,而不是简单地推断是什么导致历史上类似的过渡,比如鱼是如何进化的。这是一个非常简单的方法:切断那些被认为与鳍的生长有关的基因,然后看看鱼是否会开始形成某种足部组织。

  这正是8月17日科学家在“自然”杂志上发表的一篇文章,他利用CRISPR技术解释了鱼类如何长出脚步并开始行走,其他研究人员也利用这一技术来了解蝴蝶如何演化出漂亮的颜色,并了解甲壳类动物如何生长。

  CRISPR是对生物群落以及进化发育生物学的一种转化技术。华盛顿乔治华盛顿大学的进化和发育生物学家阿诺·马丁说,我们现在可以做以前难以做到的事了。

  伊利诺斯州芝加哥大学古生物学家,发育生物学家尼尔·舒宾(Neil Shubin)利用基因编辑技术研究了鳍的前端如何被四足陆生脊椎动物的脚和脚趾所取代。

  研究人员已经了解到,古代化石已经发展成四肢,2004年舒宾发现的古老化石为37.5亿年,似乎能够捕捉到这一过渡时期,他们也相信脚在进化过程中正在出现。在鱼组织,因为鳍和脚是由不同种类的骨头。

  但舒宾说基因编辑改变了他的想法。该研究小组利用CRIPSR技术从斑马鱼中消除了几个hox13基因,研究人员得出这些基因在翅片生长中起关键作用的结论。

  舒宾写道,这些突变种没有一个生长良好,但有些人认为手指鳍的等同物与四足动物的手指和脚趾相同。作为古生物学家,我研究并教导说,这是两个完全不同的骨骼,没有任何发展或进化的相关性。舒斌说,但这项研究的结果改变了我的假设。

  斑马鱼是普遍的模式生物,它们的基因组通常在实验室进行编辑。但CRIPSR技术大大加速了舒宾团队的实验,未来的进一步研究将是淘汰鱼类中的hox13基因,使其更接近已经获得四肢的古代鱼类,Aditya Saxena和Kimberly Cooper说:美国加利福尼亚大学圣地亚哥分校的发育生物学家,由于采用了CRISPR技术,现在已经实现了这些技术,他们在同一时期发表的一篇评论文章中说。

  人们认为这种技术不能用于其他研究和其他生物物种是没有道理的。 CRISPR似乎普遍适用于任何有机体。马丁说,他已经成功地将这项技术应用于海洋甲壳动物Parhyale hawaiensis。

  在今年1月份的“当代生物学”杂志上发表的一项研究中,他和加州大学伯克利分校的同事Nipam Patel发现,灭活一个物种的不同Hox基因可以引起特定的身体附着物,如触手和爪子发展混乱。如果研究人员成功地在实验室饲养动物,他可以得到鸡蛋,马丁说,他们应该使用CRIPSR。

  纽约大学发育神经生物学家Claude Desplan表示,这种灵活性对于进化发展的研究人员至关重要,他说该研究小组已经将CRIPSR技术应用于燕尾蝶,并在“自然”杂志上发表了这个七月光感受器,旨在探测黄燕燕的眼睛,比果蝇等昆虫更宽的色谱。他的实验室正在进行的实验已经将基因编辑技术应用于黄蜂和蚂蚁。

  到目前为止,进化生物学家一直致力于利用CRISPR技术来删除基因的活性或导入其他基因,如编码绿色荧光蛋白的基因,以更好地追踪动物的发育,但马丁希望研究人员能够快速使用该工具精确地改变动物的DNA序列以检测特定基因的变化,包括调节DNA序列变化,这些变化影响基因活动的时间和地点,这对四肢“四肢”的环境适应性有所贡献。 (金南)

  “中国科学”(2016-08-29第3版国际)