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基因編輯成進(jìn)化發(fā)育生物學(xué)領(lǐng)域“殺手級(jí)”技術(shù)

佚名 2024-06-04 23:07:31

基因編輯成進(jìn)化發(fā)育生物學(xué)領(lǐng)域“殺手級(jí)”技術(shù)

2016-08-29 訊從1893年至今

,幾乎在每年的夏季
,年輕的發(fā)育和進(jìn)化生物學(xué)者都會(huì)涌向美國(guó)馬薩諸塞州伍茲霍爾,鉆研業(yè)內(nèi)的技術(shù)。在該校全球有名的海洋生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室中,參與其年度胚胎學(xué)課程的學(xué)生都會(huì)解剖海膽和櫛水母
,此外還會(huì)移植來(lái)自不同動(dòng)物的細(xì)胞
。但是過(guò)去3年
,這些滿腔熱情的學(xué)徒開(kāi)始學(xué)習(xí)一些新東西:基因編輯

精確而高效的CRISPR-Cas9基因編輯技術(shù)已經(jīng)在生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)室刮起一股風(fēng)暴?div id="m50uktp" class="box-center"> ,F(xiàn)在,該技術(shù)正在席卷進(jìn)化發(fā)育生物學(xué)界

,這一領(lǐng)域的目標(biāo)是探尋解釋適應(yīng)性進(jìn)化的發(fā)育變化

科學(xué)家并非簡(jiǎn)單地推斷是什么導(dǎo)致諸如魚(yú)類如何演化出四肢等歷史上的類似過(guò)渡,而是利用CRISPR技術(shù)直接驗(yàn)證這些假設(shè)

。這種方法非常簡(jiǎn)便:剪切掉那些認(rèn)為與魚(yú)鰭生長(zhǎng)有關(guān)的基因
,然后就能了解這些魚(yú)是否會(huì)開(kāi)始形成一些類似腳的組織。

這正是科學(xué)家8月17日在《自然》雜志發(fā)表的內(nèi)容

,他們借助CRISPR技術(shù)解釋魚(yú)類如何長(zhǎng)出腳并開(kāi)始行走
。其他研究人員也利用該技術(shù)了解蝴蝶如何進(jìn)化出精美的色彩,并了解甲殼類動(dòng)物如何長(zhǎng)出爪子

“CRISPR是一種給生物學(xué)界帶來(lái)變革性的技術(shù)

,對(duì)于進(jìn)化發(fā)育生物學(xué)來(lái)說(shuō)也是如此?div id="m50uktp" class="box-center"> !泵绹?guó)華盛頓特區(qū)喬治·華盛頓大學(xué)進(jìn)化發(fā)育生物學(xué)家Arnaud Martin說(shuō)
,“我們現(xiàn)在可以做以前難以開(kāi)展的事務(wù)?div id="m50uktp" class="box-center"> !?/p>

伊利諾伊州芝加哥大學(xué)古生物學(xué)家和發(fā)育生物學(xué)家Neil Shubin曾利用基因編輯技術(shù)檢查魚(yú)鰭的前端如何被四足類陸生脊椎動(dòng)物的腳和腳趾替代

研究人員已經(jīng)知道,古代魚(yú)類后來(lái)演化出四肢

,Shubin帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在2004年發(fā)現(xiàn)的一個(gè)距今37.5億年的古老化石似乎捕捉了這一過(guò)渡期的行為,他們還認(rèn)為腳是進(jìn)化過(guò)程中新出現(xiàn)的事物
,在魚(yú)類組織內(nèi)并沒(méi)有相應(yīng)的對(duì)應(yīng)體
,因?yàn)轸~(yú)鰭和腳是用不同種類的骨骼形成的。

但是Shubin表示

,基因編輯已經(jīng)改變了他的想法
。該團(tuán)隊(duì)利用CRipsR技術(shù)使斑馬魚(yú)缺失了若干種hox13基因,而研究人員已經(jīng)認(rèn)為這些基因在魚(yú)鰭生長(zhǎng)中扮演著關(guān)鍵角色

這些突變異種均未生長(zhǎng)出完善的腳

,Shubin寫(xiě)道,但是一些人認(rèn)為“相當(dāng)于手指的魚(yú)鰭”與四足類動(dòng)物發(fā)育出的手指和腳趾一樣
?div id="4qifd00" class="flower right">
!白鳛橐幻派飳W(xué)者,我研究和教授的是
,這些是兩種完全不同的骨骼
,在發(fā)育或進(jìn)化學(xué)上毫無(wú)關(guān)聯(lián)
。”Shubin說(shuō)
,“但是這項(xiàng)研究結(jié)果改變了我的這種假設(shè)
。”

斑馬魚(yú)是通用的模型有機(jī)體

,其基因組通常在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行編輯
。但是CRipsR技術(shù)大大加速了Shubin團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)。下一步的一個(gè)研究將是敲除魚(yú)類物種體內(nèi)的hox13基因
,使其更加接近古代獲得四肢的魚(yú)類
,加州大學(xué)圣迭戈分校進(jìn)化發(fā)育生物學(xué)家Aditya Saxena和Kimberly Cooper說(shuō)。多虧CRISPR技術(shù)
,這些現(xiàn)在已經(jīng)實(shí)現(xiàn)
,他們?cè)谝黄SShubin的文章同期發(fā)表的評(píng)論中說(shuō)。

沒(méi)什么原因會(huì)讓人覺(jué)得這種技術(shù)不能用于其他研究以及其他生物物種

?div id="m50uktp" class="box-center"> !癈RISPR似乎可以在任何一種有機(jī)體內(nèi)普遍使用?div id="m50uktp" class="box-center"> !盡artin說(shuō)
,他已經(jīng)成功將該技術(shù)用于一種叫作Parhyale hawaiensis的海洋甲殼類動(dòng)物中。

在今年1月發(fā)表于《當(dāng)代生物學(xué)》的一項(xiàng)研究中

,他和加州大學(xué)伯克利分校同事Nipam Patel發(fā)現(xiàn)
,使該物種體內(nèi)不同的Hox基因失去活性會(huì)導(dǎo)致特定的身體附件如觸須和爪子發(fā)育混亂。如果研究人員能夠成功在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)該動(dòng)物
,就能獲得該動(dòng)物的卵
,Martin表示,他們應(yīng)該利用CRipsR

這樣的靈活性對(duì)于進(jìn)化發(fā)育研究人員來(lái)說(shuō)非常重要

,紐約大學(xué)發(fā)育神經(jīng)生物學(xué)家Claude Desplan說(shuō),該團(tuán)隊(duì)將CRipsR技術(shù)應(yīng)用于黃燕尾蝶
,相關(guān)成果于今年7月發(fā)表于《自然》
,該研究旨在檢測(cè)黃燕尾蝶眼睛的光感受器如何比果蠅等昆蟲(chóng)識(shí)別更廣泛的色譜。他所在實(shí)驗(yàn)室正在進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)將該基因編輯技術(shù)應(yīng)用于黃蜂和螞蟻

到目前為止

,發(fā)育進(jìn)化生物學(xué)家一直在聚焦利用CRISPR技術(shù)刪除一個(gè)基因的活性或是導(dǎo)入其他的基因,比如編碼綠色熒光蛋白的基因
,這可以更好地跟蹤動(dòng)物的發(fā)育
。但是Martin期望研究人員可以很快利用該工具精確改變動(dòng)物體內(nèi)的DNA序列,從而檢測(cè)具體基因變化的作用
。它們可能包括調(diào)節(jié)DNA序列的改變
,這會(huì)影響基因在哪里以及什么時(shí)候處于活性狀態(tài)
,這或曾對(duì)四足類動(dòng)物四肢演化的環(huán)境適應(yīng)性有過(guò)貢獻(xiàn)。

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