從1893年至今，幾乎在每年的夏季，年輕的發(fā)育和進(jìn)化生物學(xué)者都會涌向美國馬薩諸塞州伍茲霍爾，鉆研業(yè)內(nèi)的技術(shù)。在該校全球有名的海洋生物學(xué)實驗室中，參與其年度胚胎學(xué)課程的學(xué)生都會解剖海膽和櫛水母，此外還會移植來自不同動物的細(xì)胞。但是過去3年，這些滿腔熱情的學(xué)徒開始學(xué)習(xí)一些新東西：基因編輯。

精確而高效的CRISPR-Cas9基因編輯技術(shù)已經(jīng)在生命科學(xué)實驗室刮起一股風(fēng)暴。現(xiàn)在，該技術(shù)正在席卷進(jìn)化發(fā)育生物學(xué)界，這一領(lǐng)域的目標(biāo)是探尋解釋適應(yīng)性進(jìn)化的發(fā)育變化。

科學(xué)家并非簡單地推斷是什么導(dǎo)致諸如魚類如何演化出四肢等歷史上的類似過渡，而是利用CRISPR技術(shù)直接驗證這些假設(shè)。這種方法非常簡便：剪切掉那些認(rèn)為與魚鰭生長有關(guān)的基因，然后就能了解這些魚是否會開始形成一些類似腳的組織。

這正是科學(xué)家8月17日在《自然》雜志發(fā)表的內(nèi)容，他們借助CRISPR技術(shù)解釋魚類如何長出腳并開始行走。其他研究人員也利用該技術(shù)了解蝴蝶如何進(jìn)化出精美的色彩，并了解甲殼類動物如何長出爪子。

“CRISPR是一種給生物學(xué)界帶來變革性的技術(shù)，對于進(jìn)化發(fā)育生物學(xué)來說也是如此。”美國華盛頓特區(qū)喬治·華盛頓大學(xué)進(jìn)化發(fā)育生物學(xué)家Arnaud Martin說，“我們現(xiàn)在可以做以前難以開展的事務(wù)。”

伊利諾伊州芝加哥大學(xué)古生物學(xué)家和發(fā)育生物學(xué)家Neil Shubin曾利用基因編輯技術(shù)檢查魚鰭的前端如何被四足類陸生脊椎動物的腳和腳趾替代。

研究人員已經(jīng)知道，古代魚類后來演化出四肢，Shubin帶領(lǐng)團(tuán)隊在2004年發(fā)現(xiàn)的一個距今37.5億年的古老化石似乎捕捉了這一過渡期的行為，他們還認(rèn)為腳是進(jìn)化過程中新出現(xiàn)的事物，在魚類組織內(nèi)并沒有相應(yīng)的對應(yīng)體，因為魚鰭和腳是用不同種類的骨骼形成的。

但是Shubin表示，基因編輯已經(jīng)改變了他的想法。該團(tuán)隊利用CRIPSR技術(shù)使斑馬魚缺失了若干種hox13基因，而研究人員已經(jīng)認(rèn)為這些基因在魚鰭生長中扮演著關(guān)鍵角色。

這些突變異種均未生長出完善的腳，Shubin寫道，但是一些人認(rèn)為“相當(dāng)于手指的魚鰭”與四足類動物發(fā)育出的手指和腳趾一樣。“作為一名古生物學(xué)者，我研究和教授的是，這些是兩種完全不同的骨骼，在發(fā)育或進(jìn)化學(xué)上毫無關(guān)聯(lián)。”Shubin說，“但是這項研究結(jié)果改變了我的這種假設(shè)。”

斑馬魚是通用的模型有機(jī)體，其基因組通常在實驗室進(jìn)行編輯。但是CRIPSR技術(shù)大大加速了Shubin團(tuán)隊的實驗。下一步的一個研究將是敲除魚類物種體內(nèi)的hox13基因，使其更加接近古代獲得四肢的魚類，加州大學(xué)圣迭戈分校進(jìn)化發(fā)育生物學(xué)家Aditya Saxena和Kimberly Cooper說。多虧CRISPR技術(shù)，這些現(xiàn)在已經(jīng)實現(xiàn)，他們在一篇跟隨Shubin的文章同期發(fā)表的評論中說。

沒什么原因會讓人覺得這種技術(shù)不能用于其他研究以及其他生物物種。“CRISPR似乎可以在任何一種有機(jī)體內(nèi)普遍使用。”Martin說，他已經(jīng)成功將該技術(shù)用于一種叫作Parhyale hawaiensis的海洋甲殼類動物中。

在今年1月發(fā)表于《當(dāng)代生物學(xué)》的一項研究中，他和加州大學(xué)伯克利分校同事Nipam Patel發(fā)現(xiàn)，使該物種體內(nèi)不同的Hox基因失去活性會導(dǎo)致特定的身體附件如觸須和爪子發(fā)育混亂。如果研究人員能夠成功在實驗室培養(yǎng)該動物，就能獲得該動物的卵，Martin表示，他們應(yīng)該利用CRIPSR。

這樣的靈活性對于進(jìn)化發(fā)育研究人員來說非常重要，紐約大學(xué)發(fā)育神經(jīng)生物學(xué)家Claude Desplan說，該團(tuán)隊將CRIPSR技術(shù)應(yīng)用于黃燕尾蝶，相關(guān)成果于今年7月發(fā)表于《自然》，該研究旨在檢測黃燕尾蝶眼睛的光感受器如何比果蠅等昆蟲識別更廣泛的色譜。他所在實驗室正在進(jìn)行的實驗已經(jīng)將該基因編輯技術(shù)應(yīng)用于黃蜂和螞蟻。

到目前為止，發(fā)育進(jìn)化生物學(xué)家一直在聚焦利用CRISPR技術(shù)刪除一個基因的活性或是導(dǎo)入其他的基因，比如編碼綠色熒光蛋白的基因，這可以更好地跟蹤動物的發(fā)育。但是Martin期望研究人員可以很快利用該工具精確改變動物體內(nèi)的DNA序列，從而檢測具體基因變化的作用。它們可能包括調(diào)節(jié)DNA序列的改變，這會影響基因在哪里以及什么時候處于活性狀態(tài)，這或曾對四足類動物四肢演化的環(huán)境適應(yīng)性有過貢獻(xiàn)。