基因编辑成进化发育生物学领域“杀手级”技术

塔拉克鱼模型和化石被提到。这个过渡时期的化石有助于解释鱼是如何开始长出四肢的。

资料来源:fieldmuseum图书馆/gettymages

从1893年到现在，几乎每年夏天，年轻的发育和进化生物学家都会聚集到美国马萨诸塞州的伍兹霍尔研究该行业的技术。在学校世界闻名的海洋生物实验室，参加年度胚胎学课程的学生解剖海胆和栉水母，并从不同的动物身上移植细胞。但是在过去的三年里，这些热情的学徒已经开始学习新的东西:基因编辑。

精确高效的CRISPR-Cas9基因编辑技术在生命科学实验室引发了一场风暴。目前，这项技术正在席卷进化发育生物学领域。这个领域的目标是探索和解释适应性进化的发展变化。

科学家并不简单地推断是什么导致了历史上类似的转变，比如鱼是如何进化出四肢的，而是使用CRISPR技术来直接验证这些假设。这个方法非常简单:切掉被认为与鳍生长有关的基因，然后我们就可以知道这些鱼是否会开始形成一些脚状组织。

这正是科学家们8月17日在《自然》杂志上发表的内容。他们使用CRISPR技术来解释鱼如何长出脚并开始行走。其他研究人员也利用这项技术来了解蝴蝶如何进化出精美的颜色，以及甲壳类动物如何进化出爪子。

" CRISPR是一项给生物学带来革命的技术，对于进化发育生物学也是如此."华盛顿特区乔治华盛顿大学的进化发展生物学家阿诺·马丁说，“我们现在可以做以前很难做的事情了。”

伊利诺伊州芝加哥大学的古生物学家和发育生物学家尼尔·舒宾(Neil Shubin)利用基因编辑技术研究了四足陆生脊椎动物的脚和脚趾是如何取代鳍尖的。

研究人员已经知道四肢是从古代鱼类进化而来的。舒宾带领团队在2004年发现了一个37.5亿年前的古代化石，它似乎捕捉到了这个过渡时期的行为。他们还认为，脚在进化过程中是新的，在鱼的组织中没有对应的脚，因为鳍和脚是由不同种类的骨头形成的。

但是舒宾说基因编辑改变了主意。该团队使用CRIPSR技术从斑马鱼中删除了几个hox13基因，研究人员已经认为这些基因在鳍的生长中起着关键作用。

舒宾写道，这些突变物种都没有发育出完美的脚，但有些人认为“手指相当于手指”与四足动物的手指和脚趾是一样的。“作为一名古生物学家，我研究和教授的是这两种完全不同的骨骼，它们与发育和化学没有任何联系。”舒宾说，“但是这项研究的结果改变了我的假设。”

斑马鱼是一种常见的模式生物，其基因组通常在实验室编辑。然而，CRIPSR技术极大地加速了舒宾团队的实验。加州大学圣地亚哥分校的进化发育生物学家阿迪雅·萨克斯纳和金伯利·库珀说，下一步的研究将是剔除鱼类物种中的hox13基因，使其更接近获得四肢的古代鱼类。他们在舒宾文章的评论中说，多亏了CRISPR技术，这些现在已经实现了。

没有理由认为这项技术不能用于其他研究和其他生物物种。" CRISPR似乎被广泛应用于任何有机物体."马丁说，他已经成功地将这项技术应用到一种叫做帕尔希亚尔夏威夷的海洋甲壳动物身上。

在今年1月发表在《当代生物学》上的一项研究中，他和他的同事加州大学伯克利分校的尼帕姆·帕特尔发现，使物种中不同的Hox基因失活会导致特定身体附件(如触须和爪子)发育紊乱。马丁说，如果研究人员能在实验室成功培养出这种动物，他们就能获得这种动物的卵子，他们应该使用CRIPSR。

这种灵活性对于进化发展研究者来说非常重要。纽约大学的发育神经生物学家克劳德·德斯普说，该小组将CRIPSR技术应用于燕尾蝶。相关结果于今年7月发表在《自然》杂志上。这项研究旨在检测燕尾蝶眼睛中的感光细胞如何识别比果蝇等昆虫更广泛的颜色。他实验室正在进行的实验将基因编辑技术应用于黄蜂和蚂蚁。

迄今为止，发育进化生物学家一直专注于使用CRISPR技术来删除一个基因的活性或引入其他基因，例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。然而，马丁希望研究人员能够使用该工具准确地改变动物的DNA序列，从而检测特定基因变化的影响。它们可能包括调节DNA序列的变化，这可能影响基因在何时何地活动，这可能有助于四足动物肢体进化的环境适应性。(晋南)

中国科学新闻(2016-08-29第三版国际版)