盖奇·克伦普《对话》 这张共焦显微镜图像显示了一只一周大的斑马鱼的脸
信用:彼得·法比安和盖奇·克伦普 我的实验室位于南加州大学凯克医学院，用斑马鱼来模拟影响面部的人类先天缺陷
当我告诉人们这些时，他们通常会怀疑鱼类生物学与人类健康有什么关系
但是斑马鱼和我们一样有脊椎，大体上包含相同类型的器官，而且，对于基因研究来说，有很多共同的基因
我的团队利用这些遗传相似性为几种人类出生缺陷创造了斑马鱼模型，包括塞塞-乔森综合征(颅骨异常融合在一起)和早发性关节炎
与鱼类相似，我们的身体在大约25000个基因的控制下发育
诀窍在于找出每个基因的功能
基于CRISPR的分子剪刀(诺贝尔化学奖刚刚授予了它)等惊人的进展使我们能够精确地改变基因，而设计化学物质可以沉默特定的基因
然而，在我们小组最近发表在《自然》杂志上的一项研究中，我们发现这些工具仍远非完美
尽管CRISPR现在可以让我们高效地制造出能够将人类疾病突变传递给下一代的实验室动物，但简单地将CRISPR注射到胚胎中或者用设计好的化学物质沉默基因就能准确模拟人类遗传疾病的说法受到了质疑
斑马鱼作为人类遗传病模型的出现 寻找导致特定出生缺陷或迟发性疾病的精确突变可能是一项乏味的工作
人类基因组由30亿个叫做脱氧核糖核酸核苷酸的组成部分组成，只改变其中的一个就会导致毁灭性的出生缺陷
为了弄清楚我们是否在人类身上找到了正确的致病突变，我们通常会在实验动物的基因组中进行同样的改变
然后我们让这些动物繁殖出带有疾病突变的婴儿，并寻找与人类患者相似的缺陷外观
我们研究斑马鱼是因为它们很小，这意味着我们可以培育成千上万种不同的转基因动物
我们通常使用CRISPR来改造鱼类，将基因突变传递给下一代
然后，我们研究了与缺乏这些基因的人类相似的缺陷的外观——本质上是创造了遗传疾病的个性化斑马鱼化身
由于斑马鱼胚胎是透明的，在母体外发育迅速，因此它们对于理解人类疾病突变如何破坏正常发育特别有用
卑微的斑马鱼，达尼奥·雷里奥，被用作研究人类遗传学的模式生物
作者:特鲁·村上 在速度的竞赛中，问题出现了 即使是在斑马鱼中，改造动物以缺失特定基因也是一个耗时的过程
在我的实验室里，我们首先在胚胎中制造基因突变，让这些鱼长到成年，然后一起繁殖鱼来观察下一代的缺陷
整个过程可能需要一年或更长时间
不出所料，许多实验室正在尝试捷径
一些人正在给动物注射大量的CRISPR分子剪刀，然后在这些动物身上寻找缺陷
其他人使用化学物质来关闭或沉默胚胎中的基因，而不是永久改变基因
像这样的研究越来越频繁地质疑这些捷径的准确性
在注射了CRISPR分子剪刀的动物中，并不是每个细胞都以同样的方式改变
用于沉默基因的化学物质似乎会产生意想不到的后果，以一种普通的方式毒害胚胎
例如，西班牙的研究人员最近报告称，一种名为prrx1a的基因对心脏的正常发育至关重要
为了解决这个问题，他们用化学物质使斑马鱼的prrx1a沉默
然后，在第二个实验中，他们将CRISPR分子剪刀注射到斑马鱼胚胎中，并在一天后检查它们的心脏缺陷
相比之下，我们完全去除了prrx1a基因，并观察了缺乏该基因的几代鱼
这些突变鱼的心脏发育完全正常，表明prrx1a对心脏发育并不重要
相反，我们发现在西班牙的研究中，化学治疗导致的心脏缺陷是由于与prrx1a基因无关的胚胎普遍中毒造成的
简单注射CRISPR的动物也显示出完全去除prrx1a基因后未发现的缺陷，尽管这些差异的确切原因仍是一个活跃的争论来源
不仅仅是我们小组注意到了这些缺陷
迪迪埃·斯坦尼尔领导的研究小组使用了与我们报道的相似的基因去除方法，驳斥了一项使用CRISPR注射和基因沉默将tek基因与血管发育联系起来的研究
鉴于许多研究依赖于实验室动物的基因沉默，而不是基因突变工程，许多人类疾病的致病基因可能需要重新评估
在全国最大的斑马鱼研究中心，研究员凯文·毕晓普举起一箱斑马鱼来观察它们的行为和生理
信用:埃内斯托·德尔·阿吉拉三世，国家电网公司，抄送 改进基因组工程的前进之路 对研究速度的渴望不能以牺牲准确性和再现性为代价
好消息是，有了CRISPR，我们现在知道如何在实验室动物中设计正确类型的突变来验证人类疾病的突变
通过创造像斑马鱼这样的实验动物，将突变基因植入它们的基因组，然后观察它们的后代是否会患上与突变患者相同的疾病，我们可以有信心识别出正确的人类疾病基因
正确理解这一点对于准确告知未来父母某些出生缺陷的遗传风险，以及识别相关基因以预防甚至逆转疾病非常重要
科学在不断发展
虽然用CRISPR设计基因组的能力为人类遗传学开辟了无限的可能性，但研究人员也必须认识到新技术的局限性
尽管速度很快，但直接注射CRISPR或用化学物质沉默基因往往会产生误导性结果
为了有把握地识别与人类疾病相关的致病突变，我们需要继续研究实验室动物，这些动物被设计成携带和传递与人类患者相同的DNA变化
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