用CRISPR给动物“改头换面”

 CRISPR-Cas9基因编辑技术的简单性，将很快使任何生物（从最简单的黏菌到章鱼）的基因研究，变得像现在标准的实验室动物（如线虫、果蝇、青蛙和小鼠）那样容易。

 

12月10日，在《Current Biology》杂志发表一项新研究中，加州大学伯克利分校的研究人员用CRISPR-Cas9，很容易地敲除了一种端足目（Amphipod）节肢动物（crustaceans）的基因，以了解这些基因如何控制生长和发育。研究人员想知道，哪些基因控制着端足目动物每一节段上附肢的发育，这种动物的身体就像一把瑞士军刀，身体每一节段都承载有不同的刀片或工具作为附肢。

 

与两年前相比，加州大学伯克利分校的研究人员花费了更少的时间敲除了六个基因，从而揭示了它们在动物进化过程中决定腿部解剖学的基本遗传机制。通过一个接一个地敲除所谓的Hox基因——该基因指定所有动物的身体部位，研究人员转换了甲壳动物四肢的身份，例如，将爪转换成腿，或者将下巴转换成触角。

 

加州大学伯克利分校的博士后研究人员Arnaud Martin说：“对于我们这些在实验室研究非传统模式生物的人来说，这是一场技术革命。CRISPR-Cas9确实改变了研究珍奇动物的可能性范围，端足目动物是其中第一个。”

 

Martin正在研究的Hox基因家族，存在于所有的动物中，一些生物学家认为，动物可以被定义为具有Hox基因的任何生物。已知它们可打开或关闭身体每一节段中的无数基因。人体节段在脊柱中最为明显，其中每种类型的脊柱都有独特的形状，这都是由Hox基因控制的。

 

在热带海洋端足目动物Parhyale hawaiensis中，Martin和Patel想知道，在其19个节段当中，哪些Hox基因的功能是产生昆虫前面的口器，然后是爪子，接着是向前移动的腿、有力的跳跃腿推动甲壳的倒退、游泳腿和短粗的“锚”腿。

 

本文资深作者、加州大学伯克利分校分子细胞生物学和综合生物学教授Nipam Patel指出：“CRISPR-Cas9已经在模式系统中产生了巨大影响，像果蝇和秀丽隐杆线虫，在这些模式生物中已经有很多的研究工具。人们可以非常迅速地合并技术，并改变它们在这些动物中诱发突变体的方式。但我们也想研究很多其他的动物，因为我们可以用它们来回答非常基本的进化问题。CRISPR-Cas9是一项伟大的技术，可以实现这一点。”

 

其他研究人员最近利用CRISPR-Cas9在不常见的生物中（例如海葵、八目鳗和蝴蝶）进行基因编辑，以探究该工具是否起作用，但大部分都是使用CRISPR-Cas9的“原理证明”，以确认什么是已知的。

 

Patel说：“我们不仅仅只是表明它在Parhyale中起作用，而且想直接回答一个非常重要的发育和进化问题：在甲壳动物中你如何装配所有这些肢体，进化如何通过改变Hox基因表达模式而改变肢体的模式。”

 

主调控基因

 

Hox基因复合体是一个复杂的基因簇，通常称为主要调控基因，其编码的蛋白转录因子，可关闭或打开其他多种基因。从早期发育开始，它们就以不同的组合出现在身体的不同节段，从头部到尾部。自从6亿年前它们第一次出现在我们的动物祖先中以来，进化与这个相同的基因复合体一起，产生了丰富多彩的动物形状。

 

Martin说，端足目动物是研究这些基因的理想动物，因为它们的每一节段都有一种特定类型的腿，由九个不同的Hox基因决定。

 

他说：“从广义上说它们是四肢——实际上是附肢。一些有感觉功能——触角。其他一些则有抓握喂食的功能，像龙虾爪子。其他附肢有运动功能——腿，或适于游泳的桨状物。一个动物中所存在的这些差异，都是由Hox基因表达定义的。”

 

为了探讨这六个Hox基因的功能，研究人员使用一种强有力的方法：利用CRISPR-Cas9酶，在每个端足目动物胚胎中，破坏或抑制这六个基因中的一个，从而使整个机体缺乏一个单独的基因。然后他们就可以确定哪些基因控制着这一附件。

 

Patel说：“在一次最壮观的变换中，我们把生有羽毛的游泳腿（位于腹前），通过移除一个基因，将其转化为看起来完全像通常位于最后胸节上的大跳跃腿。在另一个实验中，我们基本上准确地将端足目转换成等足目：将一个被称为“abdominal-A”的基因从胸部去除，这使得所有的步行腿相似，并都指向同一个方向。”

 

Patel指出，在真正的进化过程中，基因通常不被破坏或消除，而是调整它们在不同节段的开启或关闭，得到不同的效果。Patel说：“如果不先消除基因以探测总效应，我们都没法猜测，只是移动表达将会起到什么作用。现在我们可以想出一个代码，根据表达的是什么组合的Hox基因，决定发育什么样的四肢，我们正在进行新的实验来进一步验证这一代码。”