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用“基因画笔”给蝴蝶染色

当那只蝴蝶破茧而出时,美国康奈尔大学的研究员罗伯特·里德惊呆了。它是一只银纹红袖蝶,本应该穿戴着鲜艳的橙黄色外衣,有着像老虎皮一样的条纹。但他眼前的这只蝴蝶身上完全没有橙色的痕迹,它基本上是黑色和银色的。

这只蝴蝶怎么会变成这个样子呢?

负责填色的optix基因

原来,里德删除了银纹红袖蝶基因中一个叫optix的基因,就创造出了这种黑黝黝的蝴蝶。后来他通过删除各种各样的蝴蝶中的optix基因,发现蝴蝶翅膀上红色的部分都变成了黑色:除了银纹红袖蝶从一只鲜艳的橙色昆虫转变成黑色小虫外,小红蛱蝶也失去了它复杂多彩的图案,几乎变成了单一的颜色。这种改变就像是在图片处理软件中把图片调成了灰度模式一样,这些原本应该鲜艳多彩的蝴蝶看起来像灰扑扑的蛾子。

这些实验揭示了optix在不同蝴蝶身上作用都是一样的,即像一支画笔一样,给蝴蝶翅膀上色。如果说有些基因就像画家的手一样,决定画笔落笔的位置,另一些基因扮演着颜料的角色,那么optix就是一支画笔,给蝴蝶的翅膀上着色。如果没有了optix这支画笔,颜料就填不上去,蝴蝶的翅膀上就会产生黑色素,而不是原本应该绚丽多彩的颜色。

更有意思的是,当他们在常见的七叶树蝶身上也敲除了optix时,不仅原本棕色和黄色的部分变黑了,其翅膀还获得了闪耀的金属般蓝色。而蝴蝶种群中就有这样一群以令人惊叹的荧光蓝而闻名的蝴蝶——闪蝶。它们身上的荧光色是由于翅膀上鳞片的微观层次的作用,可以收集、反射和放大蓝光,使它从特定角度上看上去特别闪耀。看来,七叶树蝶原来也拥有像闪蝶一样能制造这种荧光蓝翅膀的材料,可能被optix抑制了,使七叶树蝶看起来只是一只棕色的无光泽蝴蝶。

设计轮廓的WntA基因

除了optix,科学家还在蝴蝶中删除了一种叫做WntA的基因,发现它在不同蝴蝶的翅膀中,起着不同的作用。在小红蛱蝶和七叶树蝶身上,看起来像是有人拿了一块橡皮擦,擦掉了原本的斑点。而对于斑点木蝶和萨拉长翼蝴蝶,翅膀中的黑色部分消失,而原来的白色和黄色填补了这些地方。在银纹红袖蝶中,一些银白色的斑点消失了。在帝王蝶中,有些原来是橙色的地方像是被白色颜料所覆盖,而这白色原来是黑色条纹的边缘,原本是几乎看不见的。

总之,敲掉了WntA的基因,就改变了蝴蝶翅膀中的图案。如果说optix基因是填充颜色的画笔, 那么WntA基因则是绘制草图的工具,它决定了翅膀各种颜色图案的轮廓。

强大的基因编辑技术

里德之所以能这么容易证实optix和WntA是控制蝴蝶翅膀外观的“基因画笔”,是因为使用了一种名为CRISPR的基因编辑技术。

长久以来,包括里德在内的许多生物学家都在寻找着这些翅膀图案背后由什么基因所控制。在早期的研究中,通过艰苦的杂交育种实验,科学家们曾经找出了一些决定图案的基因,但是到底这些基因是怎么去控制的,他们仍未可知。只是当时没有删除基因的技术,无法看出这些基因的缺失是怎样引起蝴蝶翅膀产生改变的。因此,他们的研究像是碰到了一堵高墙,没法得到有力的证据。

而正是CRISPR改变了一切。

其实,在生命进化史上,这一技术已经被细菌利用了数十亿年,用以清除病毒制造的外来入侵基因片段,是细菌在与病毒进行斗争的过程中进化出的免疫方式。该技术直到最近五年内才被科学家掌握,使研究人员能够更容易、更精确地切割和编辑DNA,做一些十年前根本无法想象的实验。现在,他们可以用CRISPR来探测癌细胞的弱点、研究身体是如何构建的,以及了解我们的脚如何从鱼鳍进化而来等。

CRISPR的优点在于它是如此万能,使得科学家们可以在不同物种中迅速操纵相同的基因。CRISPR就像是一把能够剪断DNA的分子剪刀,虽然限制性内切酶也能剪断DNA,但这两者的不同之处在于,一种限制性内切酶只能在特定的位点对DNA进行切割,而CRISPR则更为灵活,通过人为设计可以调节它所要剪断的位点。

当里德第一次看到那只翅膀图案被改变的蝴蝶飞出来的时候,他不禁感慨,剪切基因本来应该是他职业生涯中最大的挑战,有了CRISPR技术,现在却成为一个本科生都能胜任的项目。CRISPR是一个奇迹,有了它,科学家就可以随意操作一个受精卵中的基因,并准确地观察它所起的作用。假以时日,科学家们将能够驾驭这种着色方法,实现为活体蝴蝶设计翅膀图案。

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