CRISPR基因編輯技術(shù)在進(jìn)化發(fā)育生物學(xué)領(lǐng)域掀起熱潮

2016年08月22日訊 從1893年以來(lái)的很多個(gè)夏天里，年輕的發(fā)育和進(jìn)化生化學(xué)家們都會(huì)蜂擁來(lái)到美國(guó)馬薩諸塞州伍茲霍爾（Woods Hole）開(kāi)始學(xué)習(xí)掌握“職業(yè)”的技巧；在聞名世界的麻省國(guó)家海洋生物實(shí)驗(yàn)室（ Marine Biological Laboratory）里，每年進(jìn)行胚胎學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)生都會(huì)對(duì)海膽、櫛水母（腔腸動(dòng)物的一種）以及來(lái)自不同動(dòng)物的嫁接細(xì)胞進(jìn)行解剖，但在過(guò)去三年里，有強(qiáng)烈學(xué)習(xí)欲望的“學(xué)徒們”開(kāi)始了另一項(xiàng)工作：基因編輯。

這種名為CRISPR-Cas9的精確、有效的基因編輯技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始在全球多個(gè)生命科學(xué)研究實(shí)驗(yàn)室開(kāi)始風(fēng)靡，如今該技術(shù)已經(jīng)席卷了整個(gè)發(fā)育生物學(xué)領(lǐng)域，研究者們也試圖去解釋進(jìn)化適應(yīng)性背后所發(fā)生的發(fā)育改變。相比簡(jiǎn)單地推斷引發(fā)歷史性轉(zhuǎn)折的原因，比如解釋魚(yú)類(lèi)的四肢發(fā)育奧秘，科學(xué)家們更希望利用CRISPR基因編輯技術(shù)直接檢查這種假設(shè)，實(shí)際上這種理論是非常簡(jiǎn)單的，即關(guān)閉認(rèn)為參與魚(yú)鰭發(fā)育的基因的表達(dá)，同時(shí)觀察是否魚(yú)類(lèi)開(kāi)始形成組裝“足部”的組織。

而這正是研究者們?cè)贜ature雜志上所報(bào)道的，他們利用CRISPR技術(shù)來(lái)幫助解釋魚(yú)類(lèi)足部發(fā)育以及開(kāi)始行走的奧秘，而其他研究者則利用這種技術(shù)來(lái)確定蝴蝶如何進(jìn)化出敏銳的色覺(jué)以及介蟲(chóng)如何獲得爪子。來(lái)自喬治華盛頓大學(xué)的進(jìn)化生物學(xué)家Arnaud Martin則指出，CRISPR是整個(gè)生物學(xué)研究領(lǐng)域的巨大變革，但對(duì)于發(fā)育生物學(xué)領(lǐng)域而言，該技術(shù)則會(huì)帶來(lái)一定的革新能力，利用CRISPR技術(shù)我們就能進(jìn)行此前無(wú)法進(jìn)行的工作。

鰭如何變成腳？

來(lái)自芝加哥大學(xué)的研究者Neil Shubin利用基因編輯技術(shù)研究了在進(jìn)化歷程中，魚(yú)鰭的頂端或鰭刺如何被四足陸地脊椎動(dòng)物的腳或者足趾所替代；如今科學(xué)家們都知道魚(yú)類(lèi)也可以發(fā)育出四肢，2004年時(shí)研究者Shubin發(fā)現(xiàn)了3.75億年前的化石，而該化石似乎就幫助我們抓住了進(jìn)化變遷的關(guān)鍵過(guò)程，研究者認(rèn)為，足部的進(jìn)化或許是進(jìn)化中的一種新事物，因?yàn)轹挻毯妥悴慷际怯刹煌?lèi)型的骨質(zhì)所組成的。

然而基因編輯技術(shù)就可以讓研究者改變主意，Shubin的研究團(tuán)隊(duì)利用CRISPR對(duì)缺失多個(gè)hox13基因的斑馬魚(yú)進(jìn)行了工程化基因編輯，hox13基因在拋棄機(jī)體鰭條上扮演著重要的作用。研究者指出，沒(méi)有任何一個(gè)突變體能夠完全生長(zhǎng)出成熟的足部結(jié)構(gòu)，但某些突變體卻擁有排成指狀的鰭結(jié)構(gòu)（fingery fins），這些結(jié)構(gòu)由和構(gòu)建四足動(dòng)物手指和腳趾的相同類(lèi)型骨質(zhì)結(jié)構(gòu)所構(gòu)成，研究者Shubin說(shuō)道，作為一名古生物學(xué)家，我認(rèn)為這兩種類(lèi)型的骨質(zhì)結(jié)構(gòu)在發(fā)育和進(jìn)化上完全不具有關(guān)聯(lián)性，而相關(guān)的研究結(jié)果正反駁了這一點(diǎn)。

斑馬魚(yú)是一種流行的模式動(dòng)物，科學(xué)家們完全可以在實(shí)驗(yàn)室對(duì)其基因組進(jìn)行有規(guī)律地操作，但CRISPR技術(shù)則會(huì)大大加速整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，下一步研究者將會(huì)去敲除和擁有四肢的古代魚(yú)類(lèi)非常相近的魚(yú)類(lèi)機(jī)體中的hox13基因，這些實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蝽樌M(jìn)行得益于CRISPR技術(shù)的幫助。

對(duì)蟹類(lèi)和蝴蝶進(jìn)行基因編輯

目前幾乎找不到任何理由認(rèn)為CRISPR基因編輯技術(shù)不能用于其它物種，研究者M(jìn)artin認(rèn)為CRISPR似乎可以應(yīng)用于任何有機(jī)體，他如今已經(jīng)成功將該技術(shù)應(yīng)用于海洋甲殼類(lèi)動(dòng)物Parhyale hawaiensis中。今年1月份，刊登在國(guó)際雜志Current Biology上的一項(xiàng)研究報(bào)告中，研究者M(jìn)artin與其同事Nipam Patel就通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，使得物種機(jī)體中不同的Hox基因表達(dá)失活就可以干擾物種機(jī)體特殊附屬物比如觸角和爪子的發(fā)育，如果科學(xué)家們可以成功在實(shí)驗(yàn)室繁育動(dòng)物的話(huà)，那么其或許就能夠利用CRISPR技術(shù)對(duì)動(dòng)物的受精卵進(jìn)行研究。

來(lái)自紐約大學(xué)的研究者Claude Desplan已經(jīng)成功在黃鳳蝶中成功地應(yīng)用了CRISPR技術(shù)，相關(guān)研究刊登在了上個(gè)月的Nature雜志上，文章中研究者檢測(cè)了一種理論，即相比諸如果蠅等昆蟲(chóng)而言，黃鳳蝶眼睛中的光感受器如何檢測(cè)廣譜的色譜，如今他們正在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)來(lái)將基因編輯技術(shù)應(yīng)用于黃蜂和螞蟻中。

到目前為止發(fā)育生物學(xué)家已經(jīng)開(kāi)始利用CRISPR技術(shù)消除基因的活性或引入基因，比如引入可以編碼綠色熒光蛋白的基因，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)物發(fā)育的追蹤。但研究者M(jìn)artin期待更多研究者在不久的將來(lái)利用這種新型工具來(lái)精確改變動(dòng)物機(jī)體的DNA序列，從而檢測(cè)特殊遺傳改變的相關(guān)理論，這就包括調(diào)節(jié)性DNA序列的改變?nèi)绾斡绊懟蚧钚缘母淖?，從而誘發(fā)機(jī)體的適應(yīng)性改變，比如四足動(dòng)物長(zhǎng)出四肢。

耶魯大學(xué)的研究者Bhart-Anjan Bhullar認(rèn)為，很多研究者都對(duì)古代過(guò)渡物種的DNA序列做出了一定可靠的推測(cè)，并且利用CRISPR將這些DNA序列插入到了活體的動(dòng)物機(jī)體中進(jìn)行研究；去年他們的研究團(tuán)隊(duì)就利用化學(xué)物成功修飾了雞的發(fā)育過(guò)程，研究者認(rèn)為這可以幫助將獸腳類(lèi)恐龍的鼻子塑造成為現(xiàn)代鳥(niǎo)類(lèi)的喙，同時(shí)他們還希望利用CRISPR進(jìn)行后續(xù)的實(shí)驗(yàn)。

參與上個(gè)月胚胎學(xué)課程的研究者Bhullar表示，他對(duì)學(xué)生們進(jìn)行相關(guān)基因編輯試驗(yàn)的成功案例深有印象，而且目前很多科學(xué)家已經(jīng)利用CRISPR技術(shù)對(duì)斑馬魚(yú)、青蛙、海鞘等動(dòng)物開(kāi)始編輯。最后Bhullar說(shuō)道，在CRISPR基因編輯工具的幫助下，對(duì)任何東西進(jìn)行操作都不成問(wèn)題，我們希望基于CRISPR的基因編輯技術(shù)能夠快速成為進(jìn)化發(fā)育生物學(xué)研究中的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。

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