Nature：CRISPR基因編輯技術助力破解重要生物學謎題

　　魚類的后代變成可以在陸地上行走的動物必須發生的一個重大轉變就是，要用手指和腳趾來替代長長的鰭條（fin rays）。在8月17日的《自然》（Nature）雜志上，來自芝加哥大學的科學家們證實，在魚類中構成鰭條的細胞也在四條腿動物手指和腳趾的形成過程中發揮重要作用。

　　采用新型的基因編輯技術和敏感的命運繪圖方法在魚類中標記和追蹤發育細胞，經過三年的艱苦實驗，研究人員描繪出了鰭末端一些柔韌的小骨頭與更適合在陸地上生活的手指與腳趾之間的關系。

　　研究的資深作者、芝加哥大學有機體生物學和解剖學教授Neil Shubin說：“當我第一次看到這些結果時真讓我大吃一驚。多年來，科學家們一直認為鰭條與手指和腳趾完全無關，它們完全相異，因為一種骨頭最初是由軟 骨形成，而另一種則是在簡單的結締組織中形成。我們的結果改變了整個觀點。我們現在有許多的事情需要重新思考。”

　　為了揭示鰭是如何轉變為腕和指（趾）的，研究人員主要針對一種標準的魚類模型：斑馬魚展開了研究。

　　Shubin實驗室的博士后學者Tetsuya Nakamura在斑馬魚中采用基因編輯技術CRISPR/Cas，刪除了與建立肢體相關的重要基因，隨后選擇性培育了有多處定點缺失的斑馬魚。他花了兩年多時間建立和雜交培育斑馬魚突變體。

　　同時，Shubin實驗室前研究生Andrew Gehrke改進細胞標記技術繪制出了隨著動物的生長和發育特定胚胎細胞遷移的時間和位置。

　　Gehrke說：“這是一個令人興奮的時刻，我們發現了標志著人類和小鼠腕與指（趾）的細胞唯獨存在于魚類的鰭條中。”

　　研究人員將焦點放在了沿著頭尾或肩到指尖軸，控制生長胚胎身體圖式的Hox基因上。這些基因中有許多對肢體發育至關重要。

　　他們在某些實驗中研究了受精后不久一些細胞的發育，隨著細胞變為成年魚類鰭的一部分對它們進行了追蹤。以往的研究工作證實，當刪除Hox基因，尤其 與小鼠腕和趾相關的HoxD和HoxA時，小鼠不會形成這些結構。當Nakamura在斑馬魚中刪除這些基因時，長鰭條大大減少。

　　研究人員還采用一種高能CT掃描儀看到了成年斑馬魚鰭中即便是采用最傳統的顯微鏡也無法看見的一些微小結構。掃描結果揭示缺失某些基因的魚會失去鰭條，但一些由鰭軟骨構成的小骨頭數量增加。

　　作者們懷疑，Nakamura生成的突變使得細胞停止了從鰭的底部遷移到靠近頂端它們通常的位置。無法遷移意味著有較少的細胞構成鰭條，而在鰭的底部留下較多的細胞生成了軟骨成分。

　　Gehrke說：“結合標記與敲除使我們相信，鰭和四肢之間的這種細胞關系是真實的。”

　　未來的研究包括展開新的探險尋找更多的從鰭過渡到四肢的化石中間物——例如作為原始魚類和第一個四條腿動物之間連接的提塔利克魚（Tiktaalik）。他們還計劃對Hox基因開展一些實驗，了解在魚類和人類中一種共同的細胞群形成如此不同結構的機制。

　　加拿大渥太華大學的科學家在2010年的《自然》雜志中報道稱，有兩個基因在魚鰭的發育過程中起關鍵作用，但它們在動物的四肢中卻沒有出現，失去這兩個基因或許是從魚鰭進化到動物四肢的“關鍵步驟”。

　　來自耶魯大學醫學院的研究人員在一項比較基因組學研究中證實，人類發育四肢中的活性基因受到成千上萬的序列調控，并且這些序列有可能推動了人類手和 腳的進化。這項在線發表在2013年7月3日Cell雜志上的研究，并沒有描繪出控制人類四肢發育的確切遺傳機制，而是為科學家們提供了第一張候選研究因 子的全基因組視圖。

　　2015年，科學家通過對一份爬行動物化石的全新分析，解決了一個進化上的難題——蛇如何失去了它們的四肢。一份9000萬年的頭骨，給科學家們提供了關于“蛇如何進化”的重要線索。這項研究發表在《Science Advances》上。