CRISPR“剪刀”改变蚁群种系 为研究基因如何影响复杂生物系统提供有价值模型

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CRISPR“剪刀”改变蚁群种系 为研究基因如何影响复杂生物系统提供有价值模型
. q) Q6 ]  x1 g7 N6 [  L来源:中国科学报 / 作者:张章 / 2017-08-14
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! @5 A; v# F, Z) {基因编辑技术 CRISPR 革新了基因研究方式。目前，该技术已被广泛用于修饰单细胞生物体及复杂生物体内的特殊细胞类型。近日，两个独立的研究组报告称，他们使用 CRISPR 处理了蚂蚁卵，从而改变了整个蚁群的种系。相关论文近日发表于《细胞》杂志。
1 S2 h& w0 H  J+ Y6 }* D9 E“这些研究证明人们也可以改变蚂蚁的遗传基因。”其中一篇论文的高级作者、美国洛克菲勒大学助理教授 Daniel Kronauer 说，“如果你对研究社会行为及其遗传基础感兴趣，蚂蚁是个很好的系统。现在我们能敲除任何影响社会行为的基因，并观察其效果。”; k( v3 w! e6 C: I7 d' ^3 ]: c
由于蚂蚁生活在蚁群中，这种动物是研究复杂生物系统的有价值模型。但是由于生命周期的复杂性，蚁群很难在实验室里生长和研究。于是，研究人员利用两种不同的蚂蚁找到了解决方法。& a: r4 b% t! }6 V" I0 G
洛克菲勒大学团队使用了无性繁殖袭击者蚂蚁（Ooceraea biroi），它们的蚁群中没有蚁后。相反，未受精的卵能发展出无性繁殖个体，它们能采用单性繁殖创造出更多蚂蚁。“这意味着我们能够使用 CRISPR 修改蚂蚁卵，并很快培养出包含我们希望研究的基因突变的蚁群。”Kronauer 说。
2 f- U* X' O: P7 [5 ?, ^0 W另一个团队由纽约大学、纽约大学医学院、亚利桑那州立大学、宾夕法尼亚大学医学院和范德堡大学研究人员组成，他们使用了印度跳蚁。“我们之所以选择这种蚂蚁是因为它们的一个特性是工蚁很容易转变为蚁后。”第二篇论文的高级作者、纽约大学的 Claude Desplan 说。+ L# m! c5 I  l, _3 n! S4 L0 ?( b
这样一来，如果蚁后死亡，年轻的工蚁将为争夺统治权进行“决斗”。最终，其中一个变为“产卵蚁后”开始产卵。“在实验室中，我们能注射任何工蚁的胚胎改变它的遗传构成。”Desplan 说，“然后将这个工蚁变为产卵蚁后，以便将这种新基因扩展到整个蚁群。”
0 L  z2 Y9 L5 Q5 X: |两项研究中，研究人员利用 CRISPR 技术敲除的基因名为 orco（气味接受器共同受体）。蚂蚁有 350 个气味接受器基因，由于其气味接受器运作的独特生物学特性，研究人员能够通过一次敲除阻断所有 350 个基因。“每个接受器都需要与 orco 合作才能生效。”洛克菲勒大学论文第一作者、Kronauer 实验室的学生 Waring Trible 说。# D) U' G2 ~8 ^3 g0 A5 D/ {
一旦这个基因被敲除，蚂蚁就会无视它们通常用来交流沟通的信息素信号。当失去这些化学线索后，它们变得自私：离开巢穴闲逛，也不再寻找食物。, i2 G: a( z0 D( k2 ~2 V& [: E9 d
更令人惊讶的是，敲除 orco 还能影响这两种蚂蚁的大脑解剖学特征。蚂蚁大脑中也有专门用于处理感知和嗅觉线索的中枢，但当该基因被敲除后，它们的名为触角叶纤维球的感觉中枢大量丧失。
* E, T3 B9 a, a5 v“我们尚未完全理解发生这种情况的原因。”Kronauer 说，“我们不清楚这一区域的神经细胞是由于不再使用而枯死还是它们一开始就没有发育。我们需要进一步追踪该问题，最终还可以将这扩展到哺乳动物范围。”
. j  ~1 l1 G& Y4 _/ C6 }6 \专家表示，更好地从生物化学角度理解行为是如何形成的，有助于揭示社会交往中的哪些变化是精神分裂或抑郁等疾病的特征。
, `8 G  R& Z3 w. a& }! A& \. y9 q在宾夕法尼亚大学 Roberto Bonasio 研究组进行的第三个相关研究中，科学家使用黑化诱导神经肽改变了蚂蚁行为。结果发现，黑化诱导神经肽类似于脊椎动物的生殖激素，而且这种激素能阻止工蚁变为产卵蚁后。  i: ?, Z0 z% ~
“蚂蚁等社会动物是研究基因如何影响行为的出色模型。这是因为它们生活在由具有相同基因组的个体组成的群体中，但却有着截然不同的行为。”有专家评论说。
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