用CRISPR给动物“改头换面”

CRISPR-Cas9基因编辑技术的简单性，将很快使任何生物的基因研究，变得像现在标准的模式动物那样容易。12月10日，在《Current Biology》杂志发表一项新研究中，加州大学伯克利分校的研究人员用CRISPR-Cas9，很容易地敲除了一种端足目节肢动物的基因，以了解这些基因如何控制生长和发育。

　　

生物通报道：CRISPR-Cas9基因编辑技术的简单性，将很快使任何生物（从最简单的黏菌到章鱼）的基因研究，变得像现在标准的实验室动物（如线虫、果蝇、青蛙和小鼠）那样容易。延伸阅读：西南大学将CRISPR用于鱼类遗传学研究。

12月10日，在《Current Biology》杂志发表一项新研究中，加州大学伯克利分校的研究人员用CRISPR-Cas9，很容易地敲除了一种端足目（Amphipod）节肢动物（crustaceans）的基因，以了解这些基因如何控制生长和发育。研究人员想知道，哪些基因控制着端足目动物每一节段上附肢的发育，这种动物的身体就像一把瑞士军刀，身体每一节段都承载有不同的刀片或工具作为附肢。

与两年前相比，加州大学伯克利分校的研究人员花费了更少的时间敲除了六个基因，从而揭示了它们在动物进化过程中决定腿部解剖学的基本遗传机制。通过一个接一个地敲除所谓的Hox基因——该基因指定所有动物的身体部位，研究人员转换了甲壳动物四肢的身份，例如，将爪转换成腿，或者将下巴转换成触角。

加州大学伯克利分校的博士后研究人员Arnaud Martin说：“对于我们这些在实验室研究非传统模式生物的人来说，这是一场技术革命。CRISPR-Cas9确实改变了研究珍奇动物的可能性范围，端足目动物是其中第一个。”

Martin正在研究的Hox基因家族，存在于所有的动物中，一些生物学家认为，动物可以被定义为具有Hox基因的任何生物。已知它们可打开或关闭身体每一节段中的无数基因。人体节段在脊柱中最为明显，其中每种类型的脊柱都有独特的形状，这都是由Hox基因控制的。

在热带海洋端足目动物Parhyale hawaiensis中，Martin和Patel想知道，在其19个节段当中，哪些Hox基因的功能是产生昆虫前面的口器，然后是爪子，接着是向前移动的腿、有力的跳跃腿推动甲壳的倒退、游泳腿和短粗的“锚”腿。

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本文资深作者、加州大学伯克利分校分子细胞生物学和综合生物学教授Nipam Patel指出：“CRISPR-Cas9已经在模式系统中产生了巨大影响，像果蝇和秀丽隐杆线虫，在这些模式生物中已经有很多的研究工具。人们可以非常迅速地合并技术，并改变它们在这些动物中诱发突变体的方式。但我们也想研究很多其他的动物，因为我们可以用它们来回答非常基本的进化问题。CRISPR-Cas9是一项伟大的技术，可以实现这一点。”

其他研究人员最近利用CRISPR-Cas9在不常见的生物中（例如海葵、八目鳗和蝴蝶）进行基因编辑，以探究该工具是否起作用，但大部分都是使用CRISPR-Cas9的“原理证明”，以确认什么是已知的。

Patel说：“我们不仅仅只是表明它在Parhyale中起作用，而且想直接回答一个非常重要的发育和进化问题：在甲壳动物中你如何装配所有这些肢体，进化如何通过改变Hox基因表达模式而改变肢体的模式。”

主调控基因
Hox基因复合体是一个复杂的基因簇，通常称为主要调控基因，其编码的蛋白转录因子，可关闭或打开其他多种基因。从早期发育开始，它们就以不同的组合出现在身体的不同节段，从头部到尾部。自从6亿年前它们第一次出现在我们的动物祖先中以来，进化与这个相同的基因复合体一起，产生了丰富多彩的动物形状。

Martin说，端足目动物是研究这些基因的理想动物，因为它们的每一节段都有一种特定类型的腿，由九个不同的Hox基因决定。

他说：“从广义上说它们是四肢——实际上是附肢。一些有感觉功能——触角。其他一些则有抓握喂食的功能，像龙虾爪子。其他附肢有运动功能——腿，或适于游泳的桨状物。一个动物中所存在的这些差异，都是由Hox基因表达定义的。”

为了探讨这六个Hox基因的功能，研究人员使用一种强有力的方法：利用CRISPR-Cas9酶，在每个端足目动物胚胎中，破坏或抑制这六个基因中的一个，从而使整个机体缺乏一个单独的基因。然后他们就可以确定哪些基因控制着这一附件。

Patel说：“在一次最壮观的变换中，我们把生有羽毛的游泳腿（位于腹前），通过移除一个基因，将其转化为看起来完全像通常位于最后胸节上的大跳跃腿。在另一个实验中，我们基本上准确地将端足目转换成等足目：将一个被称为“abdominal-A”的基因从胸部去除，这使得所有的步行腿相似，并都指向同一个方向。”

Patel指出，在真正的进化过程中，基因通常不被破坏或消除，而是调整它们在不同节段的开启或关闭，得到不同的效果。Patel说：“如果不先消除基因以探测总效应，我们都没法猜测，只是移动表达将会起到什么作用。现在我们可以想出一个代码，根据表达的是什么组合的Hox基因，决定发育什么样的四肢，我们正在进行新的实验来进一步验证这一代码。”

（生物通：王英）

生物通推荐原文摘要：
CRISPR/Cas9 Mutagenesis Reveals Versatile Roles of Hox Genes in Crustacean Limb Specification and Evolution
Summary: Crustaceans possess a diverse array of specialized limbs. Although shifts in Hox gene expression domains have been postulated to play a role in generating this limb diversity, little functional data have been provided to understand the precise roles of Hox genes during crustacean development. We used a combination of CRISPR/Cas9-targeted mutagenesis and RNAi knockdown to decipher the function of the six Hox genes expressed in the developing mouth and trunk of the amphipod Parhyale hawaiensis. These experimentally manipulated animals display specific and striking homeotic transformations. We found that abdominal-A (abd-A) and Abdominal-B (Abd-B) are required for proper posterior patterning, with knockout of Abd-B resulting in an animal with thoracic type legs along what would have been an abdomen, and abd-A disruption generating a simplified body plan characterized by a loss of specialization in both abdominal and thoracic appendages. In the thorax, Ubx is necessary for gill development and for repression of gnathal fate, and Antp dictates claw morphology. In the mouth, Scr and Antp confer the part-gnathal, part-thoracic hybrid identity of the maxilliped, and Scr and Dfd prevent antennal identity in posterior head segments. Our results allow us to define the role Hox genes play in specifying each appendage type in Parhyale, including the modular nature by which some appendages are patterned by Hox gene inputs. In addition, we define how changes in Hox gene expression have generated morphological differences between crustacean species. Finally, we also highlight the utility of CRISPR/Cas9-based somatic mutagenesis in emerging model organisms.