Новое исследование из Калифорнийского университета, Беркли, иллюстрирует непринужденность, с которой CRISPR-Cas9 может вывести из строя гены у экзотических животных – в этом случае, amphipod или sandhopper – чтобы изучить, как те гены управляют ростом и развитием. Исследователи хотели знать, какие гены управляют развитием придатков на каждом сегменте amphipod, тело которого похоже на швейцарский нож с каждым сегментом, имеющим различное лезвие или инструмент как придаток.
Скорее, чем он взял бы два года назад, чтобы вывести из строя один ген у животного, исследователи УКА Беркли вывели из строя шесть, пролив свет на основные генетические механизмы, которые определяют анатомию ноги в эволюции животных. Выводя из строя, один за другим, так называемые гены Hox, которые определяют части тела у всех животных, они переключили тождества конечностей ракообразного, преобразовав коготь в ногу, например, или челюсть в антенну.«Для тех из нас изучающий нетрадиционные образцовые организмы в лаборатории, у этого есть аромат технической революции», сказал УК Беркли постдокторский исследователь Арно Мартен. «CRISPR-Cas9 определенно изменяет диапазон возможностей в работе с экзотическими животными, и amphipod – один из первых».
Семья Hox генов, которые исследует Мартин, найдена у всех животных, и некоторые биологи утверждают, что животное может быть определено как любое наличие существа гены Hox. Они, как известно, включают или выключают несметное число генов в каждом сегменте тела. Сегменты тела людей являются самыми очевидными в позвоночнике, где каждый тип спинного позвонка уникален в форме, всех под контролем генов Hox.
В тропическом морском amphipod Parhyale hawaiensis Мартин и Патель хотели знать, какой из генов Hox функционирует в каждом из его 19 сегментов, чтобы произвести mouthparts на фронте, затем хватает, сопровождаемый перемещающими форварда ногами, сильные толчковые ноги, которые продвигают ракообразное назад, плавающие ноги и наконец приземистые «якорные» ноги.«CRISPR-Cas9 уже оказал огромное влияние в образцовых системах, как Дрозофила дрозофилы и нематода C. elegans, где уже есть много инструментов. Люди смогли включить технологию очень быстро и изменить способ, которым они делают мутантов у тех животных», сказал ведущий автор Нипэм Патель, преподаватель УКА Беркли молекулярных и цитобиологии и интегральной биологии. «Но есть много других животных, мы хотим работать с тем, потому что мы можем использовать их, чтобы ответить на действительно основные эволюционные вопросы.
CRISPR-Cas9 – большая технология для этого».Другие исследователи недавно использовали CRISPR-Cas9, чтобы отредактировать гены в необычных организмах как актиния, минога и бабочка, чтобы видеть, работает ли инструмент, но по большей части они были экспериментами «доказательства принципа», используя CRISPR-Cas9, чтобы подтвердить то, что было уже известно.«Здесь мы пошли путем вне просто показа, что он работает в Parhyale и подскочил прямо в ответ на действительно важный и эволюционный вопрос развития: как Вы настраиваете все эти конечности у ракообразного, и как изменения эволюции, что образец конечностей, изменяя образцы экспрессии гена Hox», сказал Патель.Арно, Патель и их коллеги УКА Беркли издадут их результаты в выпуске 10 декабря журнала Current Biology.
Основные регулирующие геныКомплекс Hox – группа генов, часто называемых основными регулирующими генами, тем кодексом для транскрипционных факторов белка, которые выключают или на большом количестве других генов. Начиная рано в развитии, они продвигаются в различных комбинациях в различных сегментах тела от главы к хвосту.
Так как они сначала появились в наших предках животных 600 миллионов лет назад, эволюция работала с этим тем же самым комплексом генов, чтобы произвести огромное множество форм животных.Amphipods – идеальные животные, у которых можно изучить эти гены, потому что у каждого сегмента есть определенный тип ноги, отобранной девятью различными генами Hox, сказал Мартин.«Они – конечности в широком смысле – действительно придатки», сказал он. «У некоторых есть сенсорная функция – антенны.
У других есть цепкая питательная функция, как когти омара. У других придатков есть функция locomotory – ноги – или вещи, которые являются более, имеющими форму весла для плавания. Эти различия в животном все определены выражением Hox».Чтобы исследовать функцию шести из этих генов Hox, исследователи использовали подход молотка: используйте ферменты CRISPR-Cas9, чтобы сломать и отключить один из этих шести генов в каждом amphipod эмбрионе, так, чтобы весь организм испытал недостаток в одном только том одном гене.
Они тогда смогли определить который генный контроль который придаток.«В одном из самых захватывающих преобразований мы взяли перистые плавающие ноги, расположенные впереди живота и, удалив один ген, преобразовал их в то, какие взгляды точно как большая толчковая нога обычно нашла на последнем грудном сегменте», сказал Патель. «В другом эксперименте мы в основном показываем точно, как Вы делаете изостручок из amphipod: Вы перемещаете один ген под названием ‘Брюшной-полости-A’ из грудной клетки, и это сделает все ходильные ноги подобными и указывающими все в том же самом направлении».
Патель отметил, что в реальной эволюции, гены обычно не ломают или устраняют, но щипают, их выражение, включенное или выключенное в различных сегментах, чтобы получить различные эффекты. «Сначала не устраняя ген, чтобы видеть грубый эффект, мы не можем даже начать предполагать, какова роль просто перемещения выражения была бы», сказал Патель. «Мы можем теперь придумать кодекс, который определяет, какая конечность развивается, учитывая комбинацию генов Hox, выражаемых там, и мы проводим новые эксперименты, чтобы далее проверить этот кодекс».