Nature：CRISPR基因编辑技术助力破解重要生物学谜题

　　

生物通报道  鱼类的后代变成可以在陆地上行走的动物必须发生的一个重大转变就是，要用手指和脚趾来替代长长的鳍条（fin rays）。在8月17日的《自然》（Nature）杂志上，来自芝加哥大学的科学家们证实，在鱼类中构成鳍条的细胞也在四条腿动物手指和脚趾的形成过程中发挥重要作用。

采用新型的基因编辑技术和敏感的命运绘图方法在鱼类中标记和追踪发育细胞，经过三年的艰苦实验，研究人员描绘出了鳍末端一些柔韧的小骨头与更适合在陆地上生活的手指与脚趾之间的关系。

研究的资深作者、芝加哥大学有机体生物学和解剖学教授Neil Shubin说：“当我第一次看到这些结果时真让我大吃一惊。多年来，科学家们一直认为鳍条与手指和脚趾完全无关，它们完全相异，因为一种骨头最初是由软骨形成，而另一种则是在简单的结缔组织中形成。我们的结果改变了整个观点。我们现在有许多的事情需要重新思考。”

为了揭示鳍是如何转变为腕和指（趾）的，研究人员主要针对一种标准的鱼类模型：斑马鱼展开了研究。

Shubin实验室的博士后学者Tetsuya Nakamura在斑马鱼中采用基因编辑技术CRISPR/Cas，删除了与建立肢体相关的重要基因，随后选择性培育了有多处定点缺失的斑马鱼。他花了两年多时间建立和杂交培育斑马鱼突变体。

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同时，Shubin实验室前研究生Andrew Gehrke改进细胞标记技术绘制出了随着动物的生长和发育特定胚胎细胞迁移的时间和位置。

Gehrke说：“这是一个令人兴奋的时刻，我们发现了标志着人类和小鼠腕与指（趾）的细胞唯独存在于鱼类的鳍条中。”

研究人员将焦点放在了沿着头尾或肩到指尖轴，控制生长胚胎身体图式的Hox基因上。这些基因中有许多对肢体发育至关重要。

他们在某些实验中研究了受精后不久一些细胞的发育，随着细胞变为成年鱼类鳍的一部分对它们进行了追踪。以往的研究工作证实，当删除Hox基因，尤其与小鼠腕和趾相关的HoxD和HoxA时，小鼠不会形成这些结构。当Nakamura在斑马鱼中删除这些基因时，长鳍条大大减少。

研究人员还采用一种高能CT扫描仪看到了成年斑马鱼鳍中即便是采用最传统的显微镜也无法看见的一些微小结构。扫描结果揭示缺失某些基因的鱼会失去鳍条，但一些由鳍软骨构成的小骨头数量增加。

作者们怀疑，Nakamura生成的突变使得细胞停止了从鳍的底部迁移到靠近顶端它们通常的位置。无法迁移意味着有较少的细胞构成鳍条，而在鳍的底部留下较多的细胞生成了软骨成分。

Gehrke说：“结合标记与敲除使我们相信，鳍和四肢之间的这种细胞关系是真实的。”

未来的研究包括展开新的探险寻找更多的从鳍过渡到四肢的化石中间物——例如作为原始鱼类和第一个四条腿动物之间连接的提塔利克鱼（Tiktaalik）。他们还计划对Hox基因开展一些实验，了解在鱼类和人类中一种共同的细胞群形成如此不同结构的机制。

加拿大渥太华大学的科学家在2010年的《自然》杂志中报道称，有两个基因在鱼鳍的发育过程中起关键作用，但它们在动物的四肢中却没有出现，失去这两个基因或许是从鱼鳍进化到动物四肢的“关键步骤”（科学家或发现鱼鳍向四肢进化关键基因  ）。

来自耶鲁大学医学院的研究人员在一项比较基因组学研究中证实，人类发育四肢中的活性基因受到成千上万的序列调控，并且这些序列有可能推动了人类手和脚的进化。这项在线发表在2013年7月3日Cell杂志上的研究，并没有描绘出控制人类四肢发育的确切遗传机制，而是为科学家们提供了第一张候选研究因子的全基因组视图（Cell：塑造人类手脚的“垃圾”DNA ）。

2015年，科学家通过对一份爬行动物化石的全新分析，解决了一个进化上的难题——蛇如何失去了它们的四肢。一份9000万年的头骨，给科学家们提供了关于“蛇如何进化”的重要线索。这项研究发表在《Science Advances》上（Science新刊：解开蛇的长期进化谜题 ）。

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文索引：

Tetsuya Nakamura, Andrew R. Gehrke, Justin Lemberg, Julie Szymaszek, Neil H. Shubin. Digits and fin rays share common developmental histories. Nature, 2016; DOI: 10.1038/nature19322