CRISPR-Cas9基因編輯技術(shù)的簡(jiǎn)單性，將很快使任何生物（從最簡(jiǎn)單的黏菌到章魚(yú)）的基因研究，變得像現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)室動(dòng)物（如線蟲(chóng)、果蠅、青蛙和小鼠）那樣容易。

12月10日，在《Current Biology》雜志發(fā)表一項(xiàng)新研究中，加州大學(xué)伯克利分校的研究人員用CRISPR-Cas9，很容易地敲除了一種端足目（Amphipod）節(jié)肢動(dòng)物（crustaceans）的基因，以了解這些基因如何控制生長(zhǎng)和發(fā)育。研究人員想知道，哪些基因控制著端足目動(dòng)物每一節(jié)段上附肢的發(fā)育，這種動(dòng)物的身體就像一把瑞士軍刀，身體每一節(jié)段都承載有不同的刀片或工具作為附肢。

與兩年前相比，加州大學(xué)伯克利分校的研究人員花費(fèi)了更少的時(shí)間敲除了六個(gè)基因，從而揭示了它們?cè)趧?dòng)物進(jìn)化過(guò)程中決定腿部解剖學(xué)的基本遺傳機(jī)制。通過(guò)一個(gè)接一個(gè)地敲除所謂的Hox基因——該基因指定所有動(dòng)物的身體部位，研究人員轉(zhuǎn)換了甲殼動(dòng)物四肢的身份，例如，將爪轉(zhuǎn)換成腿，或者將下巴轉(zhuǎn)換成觸角。

加州大學(xué)伯克利分校的博士后研究人員Arnaud Martin說(shuō)：“對(duì)于我們這些在實(shí)驗(yàn)室研究非傳統(tǒng)模式生物的人來(lái)說(shuō)，這是一場(chǎng)技術(shù)革命。CRISPR-Cas9確實(shí)改變了研究珍奇動(dòng)物的可能性范圍，端足目動(dòng)物是其中第一個(gè)。”

Martin正在研究的Hox基因家族，存在于所有的動(dòng)物中，一些生物學(xué)家認(rèn)為，動(dòng)物可以被定義為具有Hox基因的任何生物。已知它們可打開(kāi)或關(guān)閉身體每一節(jié)段中的無(wú)數(shù)基因。人體節(jié)段在脊柱中最為明顯，其中每種類型的脊柱都有獨(dú)特的形狀，這都是由Hox基因控制的。

在熱帶海洋端足目動(dòng)物Parhyale hawaiensis中，Martin和Patel想知道，在其19個(gè)節(jié)段當(dāng)中，哪些Hox基因的功能是產(chǎn)生昆蟲(chóng)前面的口器，然后是爪子，接著是向前移動(dòng)的腿、有力的跳躍腿推動(dòng)甲殼的倒退、游泳腿和短粗的“錨”腿。

本文資深作者、加州大學(xué)伯克利分校分子細(xì)胞生物學(xué)和綜合生物學(xué)教授Nipam Patel指出：“CRISPR-Cas9已經(jīng)在模式系統(tǒng)中產(chǎn)生了巨大影響，像果蠅和秀麗隱桿線蟲(chóng)，在這些模式生物中已經(jīng)有很多的研究工具。人們可以非常迅速地合并技術(shù)，并改變它們?cè)谶@些動(dòng)物中誘發(fā)突變體的方式。但我們也想研究很多其他的動(dòng)物，因?yàn)槲覀兛梢杂盟鼈儊?lái)回答非常基本的進(jìn)化問(wèn)題。CRISPR-Cas9是一項(xiàng)偉大的技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。”

其他研究人員最近利用CRISPR-Cas9在不常見(jiàn)的生物中（例如海葵、八目鰻和蝴蝶）進(jìn)行基因編輯，以探究該工具是否起作用，但大部分都是使用CRISPR-Cas9的“原理證明”，以確認(rèn)什么是已知的。

Patel說(shuō)：“我們不僅僅只是表明它在Parhyale中起作用，而且想直接回答一個(gè)非常重要的發(fā)育和進(jìn)化問(wèn)題：在甲殼動(dòng)物中你如何裝配所有這些肢體，進(jìn)化如何通過(guò)改變Hox基因表達(dá)模式而改變肢體的模式。”

主調(diào)控基因

Hox基因復(fù)合體是一個(gè)復(fù)雜的基因簇，通常稱為主要調(diào)控基因，其編碼的蛋白轉(zhuǎn)錄因子，可關(guān)閉或打開(kāi)其他多種基因。從早期發(fā)育開(kāi)始，它們就以不同的組合出現(xiàn)在身體的不同節(jié)段，從頭部到尾部。自從6億年前它們第一次出現(xiàn)在我們的動(dòng)物祖先中以來(lái)，進(jìn)化與這個(gè)相同的基因復(fù)合體一起，產(chǎn)生了豐富多彩的動(dòng)物形狀。

Martin說(shuō)，端足目動(dòng)物是研究這些基因的理想動(dòng)物，因?yàn)樗鼈兊拿恳还?jié)段都有一種特定類型的腿，由九個(gè)不同的Hox基因決定。

他說(shuō)：“從廣義上說(shuō)它們是四肢——實(shí)際上是附肢。一些有感覺(jué)功能——觸角。其他一些則有抓握喂食的功能，像龍蝦爪子。其他附肢有運(yùn)動(dòng)功能——腿，或適于游泳的槳狀物。一個(gè)動(dòng)物中所存在的這些差異，都是由Hox基因表達(dá)定義的。”

為了探討這六個(gè)Hox基因的功能，研究人員使用一種強(qiáng)有力的方法：利用CRISPR-Cas9酶，在每個(gè)端足目動(dòng)物胚胎中，破壞或抑制這六個(gè)基因中的一個(gè)，從而使整個(gè)機(jī)體缺乏一個(gè)單獨(dú)的基因。然后他們就可以確定哪些基因控制著這一附件。

Patel說(shuō)：“在一次最壯觀的變換中，我們把生有羽毛的游泳腿（位于腹前），通過(guò)移除一個(gè)基因，將其轉(zhuǎn)化為看起來(lái)完全像通常位于最后胸節(jié)上的大跳躍腿。在另一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，我們基本上準(zhǔn)確地將端足目轉(zhuǎn)換成等足目：將一個(gè)被稱為“abdominal-A”的基因從胸部去除，這使得所有的步行腿相似，并都指向同一個(gè)方向。”

Patel指出，在真正的進(jìn)化過(guò)程中，基因通常不被破壞或消除，而是調(diào)整它們?cè)诓煌?jié)段的開(kāi)啟或關(guān)閉，得到不同的效果。Patel說(shuō)：“如果不先消除基因以探測(cè)總效應(yīng)，我們都沒(méi)法猜測(cè)，只是移動(dòng)表達(dá)將會(huì)起到什么作用。現(xiàn)在我們可以想出一個(gè)代碼，根據(jù)表達(dá)的是什么組合的Hox基因，決定發(fā)育什么樣的四肢，我們正在進(jìn)行新的實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)一步驗(yàn)證這一代碼。”