CRISPR-Cas9 открывает генетику экзотических организмов

Новая технология редактирования генов CRISPR-Cas9 позволяет с такой же легкостью изучать гены любых организмов — от простейших слизевиков до осьминогов, как сейчас изучают гены у стандартных лабораторных животных (нематод, плодовых мушек, лягушек и мышей).

Исследование Калифорнийского университета в Беркли демонстрирует, как с помощью CRISPR-Cas9 можно "выключать" (нокаутировать) гены у экзотических животных — в данном случае, у амфипода (бокоплава). Учёные хотели узнать, какие гены контролируют развитие конечностей на каждом сегменте тела этого ракообразного, чьё тело сравнивают с швейцарским ножом: каждый сегмент несёт свой уникальный "инструмент"-придаток.

За время, которое два года назад потребовалось бы для нокаута одного гена, исследователи из Беркли нокаутировали шесть генов. Это пролило свет на базовые генетические механизмы, определяющие анатомию ног в эволюции животных. Последовательно "выключая" гены семейства Hox, которые задают идентичность частей тела у всех животных, они меняли идентичность конечностей ракообразного, превращая, например, клешню в ногу, а челюсть — в антенну.

"Для тех из нас, кто изучает нетрадиционные модельные организмы в лаборатории, это имеет вкус технической революции", — сказал постдокторант Арно Мартен.

Главные регуляторные гены

Семейство Hox-генов, которое изучает Мартен, есть у всех животных. Эти гены кодируют транскрипционные факторы, которые включают или выключают множество других генов в разных сегментах тела от головы до хвоста. Эволюция работает с этим одним и тем же комплексом генов уже 600 миллионов лет, создавая огромное разнообразие форм животных.

Амфиподы — идеальные объекты для изучения этих генов, потому что каждый из их 19 сегментов имеет специфический тип конечности, определяемый девятью разными Hox-генами.

Исследователи использовали "грубый" подход: с помощью ферментов CRISPR-Cas9 ломали и отключали один из шести Hox-генов в каждом эмбрионе амфипода, чтобы весь организм лишился только этого одного гена. Это позволило определить, какой ген контролирует какую конечность.

"В одном из самых впечатляющих преобразований мы взяли перистые плавательные ноги, расположенные в передней части брюшка, и, удалив один ген, превратили их в нечто, выглядящее в точности как большая прыгательная нога, которая в норме находится на последнем грудном сегменте", — сказал старший автор работы, профессор Нипам Патель.

Патель отметил, что в реальной эволюции гены обычно не ломают и не удаляют, а "подкручивают", меняя паттерны их экспрессии в разных сегментах.

"Но не убрав сначала ген, чтобы увидеть грубый эффект, мы даже не можем начать предполагать, какую роль играет простое перемещение экспрессии", — пояснил Патель.

Теперь учёные могут составить "код", определяющий, какой тип конечности развивается в зависимости от комбинации экспрессируемых там Hox-генов.

Результаты исследования опубликованы в выпуске журнала Current Biology от 10 декабря.