蛇的四肢消失不僅僅是一個失去的故事，它是一個詳細記錄在它們 DNA 中的複雜歷史。為了理解進化是如何塑造蛇的，以及當蛇停止行走時它的基因組發生了什麼變化，一個科學家團隊正在使用基因編輯 CRISPR/Cas9 系統在小鼠中產生相同的變化。
勞倫斯伯克利國家實驗室的遺傳學家阿克塞爾·維塞爾說，基因技術的進步加速了透過基因組學研究進化的程序。他的團隊希望更好地瞭解形態進化，或者說動物的身體外觀。他說：“我們決定研究脊椎動物進化中最引人注目的形態適應之一：蛇從看起來像蜥蜴的祖先進化而來後四肢的消失。”
他的團隊利用了之前對幾種蛇類（包括蟒蛇、蚺蛇和眼鏡蛇）的基因組測序工作。蛇的基因組，就像人類的基因組一樣，具有所謂的增強子序列，這些序列調節其他序列應該如何發揮作用。維塞爾的團隊發現，一個名為極化活性區調節序列或 ZRS 的增強子在蛇類物種中已經退化；蛇 ZRS 中的一些蛋白質製造指令看起來像是被複制了很多次，以至於出現了許多缺陷，改變了一些 DNA 的鹼基對（決定遺傳指令的分子集合）。
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ZRS 恰好增強了 sonic hedgehog 基因，該基因負責產生對胚胎肢體發育至關重要的蛋白質。在最新的研究中，科學家們首先使用更常見的基因替換方法從小鼠胚胎中替換掉小鼠的 ZRS。他們用來自不同動物（包括馬、人類和蛇）的 ZRS 替換了該序列，並結合了一個特殊基因，如果新的 ZRS 正常工作，該基因會在化學處理後使小鼠胚胎髮育中的肢體末端變成藍色。當研究人員觀察動物胚胎時，所有小鼠肢體的末端都變成了藍色——除了那些帶有蛇 ZRS 的小鼠，要麼什麼也沒發生，要麼 ZRS 的行為方式似乎並不意味著肢體發育。
基本上，蛇的 ZRS 似乎沒有發揮作用。當維塞爾的團隊使用 CRISPR 建立了 ZRS 與蛇的 ZRS 互換的活體小鼠時，這一點變得非常清晰。“蛇化”的小鼠的肢體發育嚴重不良；它們的下臂和腿都嚴重縮小——在大多數情況下，縮小成了發育不良的骨頭。但是，當團隊用人類甚至魚類的 DNA 替換增強子時，小鼠的肢體正常形成。維塞爾的團隊在上週的細胞雜誌上發表了他們的結果。
維塞爾強調說，他的團隊並沒有發現蛇的肢體是如何消失的。相反，他們得出結論，一旦蛇的肢體消失，進化就不需要 ZRS 實際發揮作用。蛇的 ZRS 中的突變不會對進化的蛇造成傷害——因為它們不使用腿。另一個團隊在研究蟒蛇胚胎中的肢體時，偶然發現了互補的結果。這項研究的作者說，他們發現蟒蛇胚胎仍然會發育出腿的所有部分所需的軟骨前體——但蛇的身體會脫落下腿軟骨，只保留一個基本的腿骨。這可能是因為 ZRS 在退化的同時，另一組重要的肢體增強子卻保留了下來。這些增強子增強了 HOXD。（Homeobox-D 的縮寫，它們編碼的蛋白質）與 ZRS 增強 sonic hedgehog 的方式相同。佛羅里達大學的教授馬丁·科恩說，HOXD 同時調節腿和生殖器，因此進化保留了它的增強子，以便蛇能夠保持交配。他和他的合著者最近在當代生物學雜誌上發表了他們的結果。
加利福尼亞大學聖地亞哥分校細胞和發育生物學助理教授金伯利·庫珀說，早在 2005 年，生物學家就已經嘗試了增強子及其對小鼠肢體發育的影響。庫珀沒有參與這項新研究，但她指出，維塞爾使用 CRISPR 技術使得在小鼠中進行基因替換更加便宜和快捷。“這真的很令人興奮，”庫珀說。“這種工程的最終結果與我們之前所做的事情沒有什麼不同。但是我們已經使它在技術上簡單得多。”
該委員會主席安託萬·斯奈德斯說，勞倫斯伯克利國家實驗室的動物福利和研究委員會審查並批准了最新研究的動物使用協議。“協議中描述的所有工作都是首席研究員被允許執行的。”紐約大學醫學院醫學倫理學部的博士後研究員卡羅琳·諾伊豪斯說，儘管故意製造無肢小鼠聽起來可能很可怕，但在這種情況下，這項工作在倫理上是合理的。她沒有參與這項研究。“改進一項技術並使用一種新技術是對科學的重要貢獻，並且具有公眾價值，”她說。維塞爾補充說，在這些型別的研究中，沒有替代方法來改變小鼠的基因。“你不可能在計算模型中進行這些型別的實驗並對結果充滿信心，”他說。
紐約大學生物倫理學家亞瑟·卡普蘭說，在動物實驗中使用 CRISPR 將有望引發關於基因編輯技術的富有成效的辯論。卡普蘭認為，這種對話在最終將該技術用於醫學的背景下尤為重要。“我認為最引人注目的事情是，大多數倫理關注都集中在基因編輯對人類的意義上，”他說。“你希望先在小鼠的層面上討論 CRISPR 的使用，而不是在人類的層面上。”
維塞爾認為他的工作在這種辯論中沒有地位，並期望該領域會看到更多使用 CRISPR 來了解肢體發育的研究。“這些型別的研究以前是可能的，但現在它們在許多這些實驗中以更有針對性的方式觸手可及，”維塞爾說。“這在科學上讓我感到興奮。”