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CRISPR基因编辑创造了外来模型生物的热潮

2020-02-15 12:05:07来源:

约瑟夫·帕克(Joseph Parker)自七岁起就想知道是什么使车行甲虫tick痒。昆虫学家花了数十年的时间收集和观察昆虫,其中一些昆虫生活在蚂蚁中,以其幼虫为食。但是,由于没有用于研究甲虫行为背后的遗传和大脑机制的工具,帕克的博士研究重点放在了果蝇(一种成熟的模型生物)上。

十多年来,现在,CRISPR基因编辑技术的兴起使帕克童年梦想成真。他正在使用CRISPR研究位于帕萨迪纳市加利福尼亚理工学院的流浪甲虫(Staphylinidae)中的共生现象。通过剔除与蚂蚁生活在一起的甲虫和不与蚂蚁生活在一起的甲虫的基因,Parker希望确定昆虫的DNA是如何随着生活方式的变化而变化的。他说:“从头开始设计模型系统。”

生物学家已经接受了CRISPR的功能,可以快速,廉价地修饰流行的模型生物的基因组,例如小鼠,果蝇和猴子。现在,他们正在尝试对更多外来物种使用该工具,其中许多从未在实验室中进行过饲养或对其基因组进行了分析。纽约市哥伦比亚大学的分子生物学家泰莎·蒙塔格(Tessa Montague)说:“我们终于准备好开始扩大我们所说的模式生物了。”

蒙塔古研究夏威夷短尾鱿鱼(Euprymna scolopes)和矮乌贼(Sepia bandensis),它们的异常伪装是其大脑活动的外在表现。头足类将模式投射到他们的皮肤上,以匹配他们在周围看到的东西。但是,探索他们的大脑如何处理刺激一直很困难。研究人员通常会通过将电极或其他传感器嵌入颅骨来做到这一点,但是鱿鱼和乌贼是没有骨头的。

去年,蒙塔古(Montague)和她的同事们首次成功地将CRISPR成分注射到墨鱼和短尾鱿鱼胚胎中。现在,他们正在尝试对头足类神经元进行基因改造,使其在发射时发光。

技术淘汰

其他研究人员正在使用CRISPR研究物种的独特社会行为。纽约洛克菲勒大学的生物学家丹尼尔·克罗瑙尔(Daniel Kronauer)创造了不会闻到费洛蒙气味的入侵者蚂蚁(Ooceraea biroi)。在实验中,转基因蚂蚁无法维持正常入侵者蚁群中看到的复杂等级。科学家现在正在使用CRISPR改变被认为会影响入侵者蚂蚁行为的基因。

然后还有威胁人类或环境健康的物种,例如豌豆蚜虫(Acyrthosphion pisum),这种昆虫攻击全世界的豆类作物。为了用CRISPR编辑蚜虫基因组,日本冈崎国立国立基础生物学研究所的进化遗传学家Shuji Shigenobu带领的研究小组必须操纵昆虫复杂的生命周期。夏季出生的雌性蚜虫通过克隆而无性繁殖,而秋季出生的雌性则产卵。

Shigenobu团队建立了一个孵化器,该孵化器模拟了凉爽的温度和秋天的短短几天,因此它们的蚜虫会产下卵,科学家们可以向它们注入CRISPR成分。

Shigenobu上个月在弗吉尼亚州阿什伯恩的霍华德·休斯医学研究所Janelia研究园区的一次会议上宣布,经过四年的努力,该团队成功地编辑了色素基因作为概念证明。他希望,通过修饰蚜虫基因组的其他部分,研究人员可以更多地了解昆虫与植物的相互作用。这些信息可能导致生产更好的农药。

寸步向前

开发动物模型需要大量的时间和金钱,而且直到最近,对这种工作的支持还很少。2016年,美国国家科学基金会启动了一项2400万美元的计划,以创建模型生物,并借此揭示复杂特征和行为背后的遗传和分子机制。

该计划支持研究,以开发用于探测物种“基因组”的工具,研究生物的生命周期并制定协议以在实验室中培育这些物种。这种支持已经开始产生回报:例如,三月份,雅典佐治亚大学的研究人员说2,他们已经使用CRISPR创造了第一个转基因的爬行动物棕色Anoles(Anolis sagrei)。

尽管获得了如此令人鼓舞的早期成果,但利用CRISPR创建模型生物的努力表明,人们对许多物种的基因组,生命周期和习性知之甚少。研究人员面临着实际挑战,例如确定如何将CRISPR成分注入胚胎中以及诱使挑剔的易碎物种在实验室中繁殖。

选择经典模型系统的原因是它们基本上是害虫。蒙塔古说,没有什么可以阻止他们的成长。“如果我们因为新生物具有惊人的功能而面临着研究新生物的挑战,他们通常不愿意在任何条件下生长。”

这迫使科学家权衡研究某种特质所需的努力与潜在的回报。修改基因组需要对物种的“行为和生命周期”有深刻的了解,这是全世界只有少数人研究该生物的重要步骤。Janelia的生物学家David Stern说:“人们并不是轻易选择这些模型系统。

斯特恩(Stern)亲眼所见:只有在发现昆虫需要嗅觉来产卵时,他和他的同事才成功繁殖了一种果蝇物种-植物所制造的特定化学物质的气味。

尽管如此,研究人员对开发非典型动物模型的兴趣仍在增长。Montague和她的同事们创建了一个名为CHOPCHOP的工具,该工具使他们能够设计CRISPR系统来编辑任何DNA片段中的特定基因。到目前为止,科学家已经从200多种不同物种(包括植物,真菌,病毒和农场动物)中发送了她的遗传序列。

蒙塔古说:“泪水每周提醒我们,这些分子工具确实在地球上几乎所有生物体中起作用。”“在任何模型生物(尤其是这些新奇而怪异的生物)上工作的如此激动人心的时刻。”

自然568,441-442(2019)

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