《Nature》：洞察基因对的“神秘力量”

Oriana Zinani

斑马鱼原产于南亚，在世界各地的水族馆都很受欢迎。在辛辛那提大学的一个儿实验室里，斑马鱼的淡水变种在科学发现中起着至关重要的作用。斑马鱼和人类有70%的相同基因，斑马鱼的标志性条纹很吸引眼球，但斑马鱼胚胎组织的透明性反而是研究人员最看重的。

辛辛那提大学医学院分子发育生物学Ertuğrul M.Özbudak副教授研究小组正在研究一种导致先天性脊柱侧凸的基因突变，其特征是脊椎分离失败和肋骨笼紊乱。斑马鱼卵在母体外受精发育，使研究人员更容易用高分辨率成像进行可视化。

“我们可以确切地看到斑马鱼身上正在发生的事情，这为我们提供了人类胚胎发育的洞察力，”Zinani说。“我的研究提出了一个问题，‘斑马鱼胚胎如何在考虑了温度波动和暴露于不同含氧水平等变量的各种环境中稳健地实现精确发育？’我们意识到，胚胎需要发展出一种机制来过滤掉发育过程中的噪音，我关注的是这些机制涉及到什么。”

一段时间以来，科学家们已经知道，特定的基因配对在同一染色体上，出现在一起或“共同表达”在细胞和组织。在人类中，至少有10%的基因配对在同一条染色体上。为什么会这样还不得而知。研究人员做了一个实验，分离了两个配对在一起的基因，以确定它们在脊柱发育中可能扮演的角色。

研究小组的发现最近发表在学术期刊《Nature》上。

利用基因编辑工具CRISPR-Cas9，研究小组利用斑马鱼模型进行了一个简单的实验，并分离出两个配对控制脊柱健康发育的基因。分离的基因破坏了它们的共同表达。导致看到的不是斑马鱼胚胎中精确的节段边界，而是融合的组织，最终导致椎骨形成失败。

“有了两个成对的功能基因，我们就能看到正常的健康发育，”Zinani说。“如果我们把正常的基因对分离，而不产生任何突变，我们也会看到疾病在环境压力下发展。”

Zinani解释说，一条斑马鱼被分离出的基因的图像显示了一个锯齿状的脊椎骨，它开裂、断裂并融合在一起。这种斑马鱼具有导致先天性脊柱侧凸的疾病表型。研究人员还用分离的基因对在不同温度下饲养斑马鱼，以更好地了解环境压力对发育的影响。成对的基因有利于脊柱发育，特别是在环境压力下。基因分离更可能导致斑马鱼脊柱畸形和先天性脊柱侧凸。

“同样令人兴奋的是，许多导致糖尿病、癌症和自身免疫性疾病的基因也存在于人类基因组的基因对中，”Zinani说。“我们相信更多的研究将显示这些基因与其基因对保持密切联系的重要性。如果基因相邻的过程影响健康发育和成年生活，我们在研究疾病形成时有一个新的目标需要考虑。”

“Oriana在研究生阶段的发现可以解释为什么生物体在基因组中保持特定的基因顺序：协调基因在同一生物过程中的表达，”Özbudak说。

原文检索：Pairing of segmentation clock genes drives robust pattern formation