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基因魔剪版鱿鱼出世,神经研究更上层楼
* 来源 :http://www.f19f1ch0.cn * 作者 : * 发表时间 : 2020-08-20 19:47 * 浏览 :
 鱿鱼以其复杂的神经系统以及高超的生存智慧一直吸引着科学家们的目光。但是科学家们通过基因来对鱿鱼进行进一步研究的企图,却一直因为基因编辑的技术难题而搁浅。近日,科学家们终于成功攻克了这一难关,通过CRISPR技术实现了对鱿鱼的胚胎编辑,史上首次孵化了基因编辑鱿鱼,为更深入的研究打开了局面。这项成果于7月30日发表在期刊《当代生物学(Current Biology)》。

  鱿鱼是最聪明的海洋生物之一。鱿鱼、章鱼及八爪鱼等头足纲生物,是脑部神经系统最大的无脊椎动物,这令其可以做出复杂的行为和瞬间伪装。长期以来,科学家对这些复杂行为赞叹不已,他们试图了解这些柔软生物的神秘智慧。而要揭示这些头足类动物大脑奥秘,基因编辑无疑是当下的首要途径。不过长久以来,科学家们的这一企图一直没能实现,其部分原因是头足类动物的胚胎具有一层坚硬的保护外壳,这使得基因编辑技术难以遂行。

  不过这一突破在近日得到了实现。科学家凭借基因编辑技术CRISPR成功设计了第一个基因编辑鱿鱼,在基因编辑史树立起了又一个重要里程碑。除此之外,这一进步也为人们进一步探究脑科学提供了便利。针对头足类动物发达大脑的研究,可以为人们治疗神经退行性疾病(如阿尔茨海默氏症和帕金森症)提供重要借鉴。

  科学家认为,基因编辑上的这项突破令他们可以深入探究鱿鱼学习和记忆有关的基因以及特定的头足类行为。本次研究的主要负责人、芝加哥大学附属海洋生物实验室高级科学家Joshua Rosenthal称:“我认为神经生物学家对这些基因编辑生物的使用将会带来巨大的飞跃。”

  Rosenthal和他的同事以栖息于麻省伍兹霍尔(Woods Hole)的长鳍近海鱿鱼(Doryteuthis pealeii)为研究对象,依靠CRISPR-Cas9技术去除了鱿鱼胚胎中的色素沉着基因,消除其眼睛和皮肤细胞中的色素,从而孵出了通体透明的鱿鱼幼体。这项成果发表在期刊《当代生物学(Current Biology)》上。

基因编辑孵化的鱿鱼幼体与正常幼体 图片来源: Karen Crawford, St。 Mary’s College of Maryland

  Rosenthal解释实验思路称,色素沉着的性状易于观察,从而使他们易于判断基因编辑是否起效。令他们欣慰的是,这一实验的成功为后续研究提供了合理的起点。因为,如果能够对头足类动物的基因进行准确编辑,那么科学家就能够在一个非常基础的水平上研究其单个基因的作用。此前,科学家已经成功地制造出了基因编辑鼠、猴等研究动物,用以帮助各种医学、生物学研究。头足类动物的基因编辑却是人们一直未能攻克的领域。

  困难是多方面的。一方面,科学家们需要先绘制鱿鱼基因组图,才能够准确定位想要编辑的基因位置,而鱿鱼的基因组图直到最近才完成(目前尚未在期刊发表);另一方面,如何对鱿鱼胚胎进行基因编辑而又不对其造成损害,这也是摆在研究人员面前的难题。

  马里兰大学圣玛丽学院的发育生物学家、该研究的合作者Karen Crawford博士,找到了一种在适当条件下混合雌性乌贼卵和雄性乌贼精子的方法,用以形成合适的可编辑胚胎。随后需要解决的,就是将CRISPR系统注入胚胎的方法。鱿鱼胚的硬壳使针头难以刺入。研究人员的许多次注射尝试,都以针头的不断断裂告终。为此,Crawford开发了一种巧妙的微型剪刀,能够在硬壳上剪出一个小孔,从而使特制的石英针得以刺入胚胎内部。而这也并不简单,比如刺孔太大就有胚胎内容物流出的风险。但是,有赖于Crawford的精湛技术,胚胎注射的难题最终还是被解决了。

  研究使用的长鳍近海鱿鱼(Doryteuthis pealeii),也称为枪乌贼鱿鱼,寿命不到一年。这种鱿鱼全年在沿海和近海水域之间来回迁徙。通常来说,每年春季它们会成群结队地迁移到科德角(Cape Cod)附近的水域。几十年来,科学家们跋涉到科德角西南端的伍兹霍尔(Woods Hole),对这些动物进行收集和研究。这些研究为有关神经冲动的突破性发现作出了贡献,1963年诺贝尔奖就颁给了这些发现。

长鳍近海鱿鱼

  但是长鳍近海鱿鱼的寿命过短。将来,研究人员将尝试在更小的鱿鱼种类中使用基因编辑技术,因为这些鱿鱼更容易在实验室中培养。科学家希望能够通过CRISPR技术来追踪鱿鱼复杂的神经活动。该技术可用于插入所谓的“侦测基因”,该基因可使荧光蛋白在神经系统处于活动状态时发光。Rosenthal解释说:“这是一种神经系统庞大、神经活动复杂的生物。能够追踪这些神经细胞的活动将大有裨益,通过同时观测多个神经细胞,我们可试图将鱿鱼的行为与其神经活动联系起来。”

  如果这一意图得以实现,科学家们将能够研究与这些动物出神入化的伪装能力有关的大脑结构。要知道,鱿鱼凭借非凡的视力和一种名为色素细胞的皮肤细胞,几乎可以瞬间变色伪装以躲避捕食者。而这些细胞都是依靠神经系统控制。

  Rosenthal表示:“头足类动物的身体构造十分奇特。它们看起来不像其他任何生物。”科学家们还对鱿鱼灵活腕臂上的吸盘十分着迷。这些吸盘可以感知周遭环境并处理各种感官信息,从而令头足类动物近乎可以“思考自己的手臂”。

 但随着研究的进行,更多的问题也开始浮现。由于这些鱿鱼们先进的智力,对它们进行基因改造也出现了一些伦理上的质疑。在加拿大和欧洲,对头足类动物的研究受到严格的监管,而美国则没有类似措施。在本文介绍的这项研究中,研究人员也提出了自己关于头足类动物在研究中的道德指南。

  科学家Barbara King和Lori Marino通过期刊《动物情感(Animal Sentience )》上提出,科学家在将动物用于研究时应考虑对它们的治疗。他们写道:“讽刺的是,人们因为鱿鱼复杂的大脑而想要研究它,但却完全忽略了一个事实,即它复杂的大脑可能正是人们应当对其暂停改造的理由。”当研究人员在基因编辑上取得进一步成就时,他们却不得不早早地开始考虑,他们的研究应当或者说可能走多远。

 

  鱿鱼是最聪明的海洋生物之一。鱿鱼、章鱼及八爪鱼等头足纲生物,是脑部神经系统最大的无脊椎动物,这令其可以做出复杂的行为和瞬间伪装。长期以来,科学家对这些复杂行为赞叹不已,他们试图了解这些柔软生物的神秘智慧。而要揭示这些头足类动物大脑奥秘,基因编辑无疑是当下的首要途径。不过长久以来,科学家们的这一企图一直没能实现,其部分原因是头足类动物的胚胎具有一层坚硬的保护外壳,这使得基因编辑技术难以遂行。

  不过这一突破在近日得到了实现。科学家凭借基因编辑技术CRISPR成功设计了第一个基因编辑鱿鱼,在基因编辑史树立起了又一个重要里程碑。除此之外,这一进步也为人们进一步探究脑科学提供了便利。针对头足类动物发达大脑的研究,可以为人们治疗神经退行性疾病(如阿尔茨海默氏症和帕金森症)提供重要借鉴。

  科学家认为,基因编辑上的这项突破令他们可以深入探究鱿鱼学习和记忆有关的基因以及特定的头足类行为。本次研究的主要负责人、芝加哥大学附属海洋生物实验室高级科学家Joshua Rosenthal称:“我认为神经生物学家对这些基因编辑生物的使用将会带来巨大的飞跃。”

  Rosenthal和他的同事以栖息于麻省伍兹霍尔(Woods Hole)的长鳍近海鱿鱼(Doryteuthis pealeii)为研究对象,依靠CRISPR-Cas9技术去除了鱿鱼胚胎中的色素沉着基因,消除其眼睛和皮肤细胞中的色素,从而孵出了通体透明的鱿鱼幼体。这项成果发表在期刊《当代生物学(Current Biology)》上。