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Nature:CRISPR技术开拓新的疆域——进化发育生物学

2016/08/23 来源:生物通/叶予
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导读
近几年,精确、有效的CRISPR–Cas9基因编辑系统如风暴一般席卷了多个生物学领域。如今,这一技术又为进化发育生物学带来了翻天覆地的变化,进化发育生物学旨在探索进化背后的发育改变。研究者们不再是简单推测历史性的进化转变,他们开始直接用CRISPR检验自己的理论。


细菌一直在与病毒或入侵核酸进行斗争,为此它们演化出了多种防御机制,CRISPR-Cas适应性免疫系统就是其中之一。规律成簇的间隔短回文重复CRISPR与内切酶Cas的组合,可以在引导RNA的指引下,靶标并切割入侵者的遗传物质。2012年研究者们利用这一特点,将CRISPR系统发展成了强大的基因组编辑工具。

近几年,精确、有效的CRISPR–Cas9基因编辑系统如风暴一般席卷了多个生物学领域。如今,这一技术又为进化发育生物学带来了翻天覆地的变化,进化发育生物学旨在探索进化背后的发育改变。研究者们不再是简单推测历史性的进化转变,他们开始直接用CRISPR检验自己的理论。

进化生物学研究者的思路很简单:如果想知道鱼鳍如何进化成四肢,那就去除生成鱼鳍所需的基因,看鱼是否会形成类似足 的东西。8月17日,Nature杂志就发表了这样一项研究。“CRISPR为生物学各个领域带来了一场革命,”George Washington大学的进化发育生物学家Arnaud Martin说。“我们可以完成过去做不到的事。”

鱼鳍怎样变成脚

在生物从水生向陆生进化的时候,鱼鳍发展成四肢是一个非常关键的事件。为了探索这个问题,芝加哥大学的发育生物学家 Neil Shubin进行了CRISPR基因编辑。过去人们普遍认为,虽然远古鱼可以发展出四肢,但脚在进化上是全新的东西,因为支持鱼鳍的鳍条与四足动物的脚由 不同类型的骨骼构成。

然而,基因编辑改变了Shubin的看法。他的研究团队在斑马鱼中用CRISPR去除了hox13基因,这些基因在 鳍条生成中起到了重要的作用。虽然这些斑马鱼都没能长出完全的脚,但有些斑马鱼获得了“指状鳍”,其骨骼与四足动物的指骨完全相同。“作为一名古生物学 家,我一直以为这是两种不同的骨骼,在发育或进化上完全不相关,”Shubin表示。“这项研究的结果对此提出了挑战,我们现在有许多的事情需要重新思 考。”

毫无疑问,CRISPR大大加快了Shubin团队的实验进度。加州大学圣地亚哥分校的进化发育生物学家 Aditya Saxena和Kimberly Cooper也在享受CRISPR技术带来的便利。他们在同一期Nature杂志上发表了对Shubin研究成果的评论文章。

甲壳动物和蝴蝶

“CRISPR似乎能用于任何生物,”Martin说。他和加州大学伯克利分校的Nipam Patel合作,成功将这个技术用于一种海洋甲壳动物,Parhyale hawaiensis。他们发表在《Current Biology》杂志上的研究显示,失活这种甲壳动物的不同Hox基因,会干扰相应附肢的发育,比如触角和爪子。CRISPR技术帮助他们在短时间内一个 接一个地敲除六个基因,使这种甲壳动物的附肢发生改变,比如爪子变成腿、下巴变成触角。研究人员在此基础上揭示了这些基因在动物进化过程中所起的重要作用。

纽约大学的发育神经生物学家Claude Desplan将CRISPR基因编辑用到了黄色燕尾蝶中。与果蝇等昆虫相比,黄色燕尾蝶眼睛里的光感受器能够检测到更广谱的颜色。研究人员通过 CRISPR技术探索了这一现象背后的原因,并将研究结果发表在前不久的Nature杂志上。现在,他们正在把这种技术用到黄蜂和蚂蚁中去。

目前,进化发育生物学研究者主要是通过CRISPR失活或引入基因。举例来说,引入绿色荧光蛋白可以更好的追踪动物 的发育过程。不过,Martin预计人们很快会开始用这个工具精确改变动物的DNA序列,检验与特定遗传学改变有关的理论,比如参与了适应性改变的调控性 DNA序列。

人们还可以对远古生物的DNA序列做出有根据的推测,再用CRISPR技术将序列插入活体动物,耶鲁大学的古生物学 家Bhart-Anjan Bhullar说。去年他的研究团队用化合物修改了鸡的发育通路,以便进一步理解鸟喙的进化过程。现在,他希望用CRISPR进行这样的实验。 “CRISPR将快速成为进化发育生物学的一个标准技术,”Bhullar指出。

目前绝大多数CRISPR研究是在动物系统中进行的,但研究证明CRISPR/Cas9也可以在拟南芥、烟草、高 粱、水稻和小麦中介导突变生成。这个强大的技术既可用于双子叶植物也可用于单子叶植物。与如火如荼的动物研究相比,植物CRISPR研究是一个比较冷门的 方向。这就像是一块没有被完全开发的景点,走进去往往可以领略到不一样的风景。

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