定制海胆：科学家取得转基因突破

想想海胆吧。具体来说，彩绘海胆：Lytechinus pictus，一种来自东太平洋的多刺乒乓球

该物种是吞噬海带林的紫海胆的近亲，体型较小，刺较短。它们产生大量的精子和卵子，在体外受精，使科学家能够近距离、大规模地观察海胆的产生过程。一代人在四至六个月内产生下一代人。它们与人类共享的遗传物质比果蝇多，而且不能飞走；简而言之，是发育生物学家理想的实验动物

科学家利用海胆研究细胞发育已经有大约150年的历史了。尽管海胆是超级繁殖者，但实际问题往往迫使科学家将工作重点放在更容易接近的动物上：老鼠、果蝇、蠕虫

例如，研究老鼠的科学家可以在网上订购具有他们希望研究的特定遗传特性的动物&mdash；转基因动物，其基因经过人工修饰以表达或抑制某些特征

研究海胆的研究人员通常要花一年的时间从海洋中收集海胆

加州大学圣地亚哥分校斯克里普斯海洋研究所教授Amro Hamdoun说：“你能想象，如果老鼠研究人员每天晚上都设置一个捕鼠器，他们抓到的东西就是他们研究的吗？”

海洋无脊椎动物约占动物世界生物多样性的40%，但在动物研究中只占很小的比例。如果研究人员能像老鼠一样容易地接触到海胆呢？如果有可能制造和饲养转基因海胆呢

关于生活是如何运作的，我们还能学到多少呢

哈姆杜恩最近在斯克里普斯Hubbs Hall的办公室说：“你知道在疫情期间，每个人都在做酸面团吗？我不擅长做酸面团。”。相反，他将目光投向了一个不同类型的项目：一种新的转基因实验动物，“来自海洋的果蝇”。

今年3月，Hamdoun的实验室在bioRxiv预印本服务器上发表了一篇论文，证明了一段外源DNA的成功插入；特别是来自水母的荧光蛋白&mdash；结果是第一个转基因海胆，它在荧光灯下像圣诞灯泡一样发光。（论文已提交同行评审。）

这些动物是第一批转基因棘皮动物，棘皮动物门包括海星、海参和其他海洋动物。Hamdoun的任务是让任何地方的研究人员都能获得转基因海胆，而不仅仅是那些碰巧在太平洋边缘研究设施工作的人

斯克里普斯大学博士后研究员、该论文的主要作者Elliot Jackson说：“如果你看看其他一些模式生物，比如果蝇、斑马鱼和老鼠，它们都有完善的资源中心。”。“如果你想要一种标记神经系统的转基因品系，你可能会得到它。你可以订购它。这就是我们希望海胆能做到的。”

能够对动物进行基因改造，使科学家能够从中学习到更多，其影响远超任何单个物种

没有参与这项研究的斯坦福大学生物学教授Christopher Lowe说：“它将把海胆转变为理解神经生物学、理解发育生物学和理解毒理学的模型。”

该实验室的突破，以及将重点放在让其他科学家免费获得这些动物上，将“使我们能够探索进化是如何解决许多非常复杂的生命问题的，”他说

斯克里普斯大学生物学副教授Deirdre Lyons说，研究人员倾向于研究老鼠、苍蝇等，不是因为这些动物的生物学最适合回答他们的问题，而是因为“解决问题所需的所有工具都是在少数物种中建立起来的”

莱昂斯说，扩大可用于复杂实验室工作的动物范围就像为艺术家的调色板添加颜色一样，“现在你可以去获得你真正想要的、最适合你视觉的颜色，而不是拘泥于几个模型。”

在最近的一次访问中，哈姆杜恩把手伸进一个水箱，轻轻地把一只涂了油漆的顽童赶走。它以惊人的速度掠过伸出的手掌，仿佛在探索外星地形

画龙和智人的最后一个共同祖先生活在至少5.5亿年前。尽管我们经历了不同的进化道路，但我们的基因组揭示了共同的生物遗产

驱动单个受精卵转化为活体的基因指令在我们两个物种中惊人地相似。专门的系统不同于单个受精卵，也不同于将混杂的蛋白质翻译成单个生物；在细胞水平上，所有这些对海胆和人来说都是一样的

这些动物“对我们理解所有生命来说都是非常重要的”，Hamdoun说，并将海胆放回水槽中。“从历史上看，基因非常难以接近。”

实验水族馆建于20世纪70年代，当时从海洋中采集生命是获取研究标本的唯一途径。在Hubbs Hall的几层楼上，Hamdoun带路进入海胆苗圃；首次在实验室中饲养连续几代动物的大规模努力。在任何特定时刻，该团队都有1000到2000只处于不同发育阶段的海胆

靠墙立着一排又一排的小塑料罐，每个罐里都有一只扁豆大小的幼年海胆。每个水箱上都有一条胶带，上面写着动物的基因改造和受精日期。在一些动物身上，第二块胶带显示动物的性细胞DNA发生了修饰，这意味着它可以传给后代；从本质上讲，作为动物遗传密码的一串氨基酸是如何产生有生命的呼吸生物的特征的。“你必须做的一件基本的事情是能够修改基因组，然后研究结果。”

他指着一个水箱，里面装着一只小海胆，它的遗传密码ABCD1蛋白已经被剪断

Hamdoun解释道，ABCD1的作用就像一个弹跳器，沿着细胞膜停车并喷出外来分子。蛋白质的作用可以保护细胞免受有害物质的侵害，但有时会损害生物体的最大利益，比如阻止细胞吸收必要的药物

研究人员使用蛋白质不再起作用的海胆可以研究分子在生物体中的运动&mdash；例如滴滴涕；并在没有ABCD1的混杂干扰的情况下测量有多少物质最终进入细胞。他们可以对ABCD1在阻止细胞吸收药物方面的作用进行逆向工程

还有荧光海胆

“魔法发生在这个房间里，”杰克逊说，他走进一间狭窄的办公室，办公室的一端放着价值100万美元的显微镜，另一端的桌子上栓着一台几十年前的手动离心机

他将装有三只铅笔橡皮擦大小的转基因海胆的培养皿放在显微镜下。每一个都是它的120倍大，看起来就像时代广场的新年前夜舞会；放射状对称的发光的、扭动的生物

荧光不仅仅是棘皮动物派对的把戏。点亮细胞使研究人员更容易追踪它们在发育中的生物体中的运动。研究人员可以观察到囊胚的早期细胞分裂并重组为神经或心脏组织。最终，科学家们将能够关闭单个基因，看看这会如何影响发育。它将帮助我们了解我们自己的物种是如何发展的，以及为什么这种发展并不总是按计划进行

该实验室“做得很好。它真的受到了社区的欢迎，”芝加哥大学海洋生物实验室高级科学家兼国家爪蟾资源主任Marko Horb说

Horb经营着非洲爪蟾转基因物种的国家信息交换所，非洲爪蟾是一种用于实验室研究的爪蛙。该中心开发用于科学用途的转基因青蛙系列，并将其分发给研究人员

Hamdoun设想为他的实验室的海胆建立一个类似的资源中心。他们已经开始向感兴趣的科学家发送小瓶转基因海胆精子，这些科学家可以用从Hamdoun实验室或其他来源获得的卵子培育定制的海胆

Hamdoun生动地回忆起他在职业生涯早期试图追踪研究所需的随机DNA片段的经历，以及写信给教授和前博士后却发现这些材料早已丢失的失望和沮丧。他宁愿未来几代科学家把时间花在发现上

“生物学真的很有趣，”他说。“能接触到它的人越多，我们学到的东西就越多。”