Søpindsvin lavet på bestilling:Forskere laver transgent gennembrud

Overvej søpindsvin. Nærmere bestemt den malede pindsvin:Lytechinus pictus, en stikkende bordtennisbold fra det østlige Stillehav.

Arten er en mindre og kortpigget fætter til purpurpindsvinene, der fortærer tangskove. De producerer et enormt antal sædceller og æg, der befrugtes uden for deres kroppe, hvilket gør det muligt for forskere at se processen med at skabe pindsvin på tæt hold og i stor skala. En generation giver anledning til den næste om fire til seks måneder. De deler mere genetisk materiale med mennesker end frugtfluer gør og kan ikke flyve væk – kort sagt et ideelt forsøgsdyr for udviklingsbiologen.

Forskere har brugt søpindsvin til at studere celleudvikling i omkring 150 år. På trods af pindsvins status som superreproducerende tvinger praktiske bekymringer ofte videnskabsmænd til at fokusere deres arbejde på lettere tilgængelige dyr:mus, frugtfluer, orme.

Forskere, der for eksempel arbejder med mus, kan bestille dyr online med de specifikke genetiske egenskaber, de håber at studere - transgene dyr, hvis gener er blevet kunstigt pillet ved for at udtrykke eller undertrykke bestemte egenskaber.

Forskere, der arbejder med pindsvin, skal typisk bruge en del af deres år på at indsamle dem fra havet.

"Kan du forestille dig, hvis museforskere satte en musefælde hver nat, og hvad end det er, de fangede, var det, de studerede?" sagde Amro Hamdoun, professor ved UC San Diego's Scripps Institution of Oceanography.

Marine hvirvelløse dyr repræsenterer omkring 40 % af dyreverdenens biologiske mangfoldighed, men optræder alligevel i en ringe brøkdel af en procentdel af dyrebaserede undersøgelser. Hvad hvis forskere kunne få adgang til søpindsvin lige så let som mus? Hvad hvis det var muligt at fremstille og opdrætte linjer af transgene pindsvin?

Hvor meget mere kan vi lære om, hvordan livet fungerer?

"Du ved, hvordan alle lavede surdej under pandemien? Jeg er ikke god til at lave surdej," sagde Hamdoun for nylig på sit kontor i Scripps' Hubbs Hall. Han satte i stedet blikket mod et projekt af en anden art:et nyt transgent forsøgsdyr, "en frugtflue fra havet."

I marts udgav Hamdouns laboratorium en artikel om bioRxiv preprint-server, der demonstrerer den vellykkede indsættelse af et stykke fremmed DNA – specifikt et fluorescerende protein fra en vandmand – i genomet af en malet urchin, der sendte ændringen videre til sit afkom.

Resultatet er det første transgene søpindsvin, en der tilfældigvis lyser som en julepære under et fluorescerende lys. (Oplægget er sendt til peer review.)

Dyrene er de første transgene pighuder, phylum, der omfatter søstjerner, havagurker og andre havdyr. Hamdouns mission er at gøre genetisk modificerede pindsvin tilgængelige for forskere overalt, ikke kun dem, der tilfældigvis arbejder i forskningsfaciliteter i udkanten af ​​Stillehavet.

"Hvis du ser på nogle af de andre modelorganismer, som Drosophila [frugtfluer], zebrafisk og mus, er der veletablerede ressourcecentre," sagde Elliot Jackson, en postdoc-forsker ved Scripps og hovedforfatter af papiret. "Hvis du vil have en transgen linje, der mærker nervesystemet, kan du sikkert få det. Du kan bestille det. Og det er det, vi håber, vi kan være for søpindsvin."

At være i stand til at genetisk modificere et dyr overlader, hvad videnskabsmænd kan lære af det, med implikationer langt ud over enhver individuel art.

"Det vil transformere søpindsvin som en model til at forstå neurobiologi, for at forstå udviklingsbiologi, for at forstå toksikologi," sagde Christopher Lowe, en Stanford professor i biologi, som ikke var involveret i forskningen.

Laboratoriets gennembrud og dets fokus på at gøre dyrene frit tilgængelige for andre videnskabsmænd, vil "tillade os at udforske, hvordan evolutionen har løst en masse virkelig komplicerede livsproblemer," sagde han.

Forskere har en tendens til at studere mus, fluer og lignende, ikke fordi dyrenes biologi er bedst egnet til at besvare deres spørgsmål, men fordi "alle de værktøjer, der var nødvendige for at komme i mål med dine spørgsmål, er bygget op i nogle få arter," sagde Deirdre Lyons , en lektor i biologi ved Scripps, der arbejdede med Hamdoun om tidlig forskning relateret til projektet.

At udvide rækken af ​​dyr, der er tilgængelige til sofistikeret laboratoriearbejde, er som at tilføje farver til en kunstners palet, sagde Lyons, "Nu kan du få den farve, du virkelig ønsker, der passer bedst til din vision, i stedet for at sidde fast med et par modeller. "

I stueetagen af ​​Hamdouns kontorbygning ligger Hubbs Hall eksperimentelle akvarium, et garagelignende rum proppet med tanke fyldt med recirkulerende havvand og et broget udvalg af havliv.

Ved et nyligt besøg rakte Hamdoun ind i en tank og fik forsigtigt en malet pindsvin løs. Den susede med overraskende fart hen over en strakt håndflade, som om den udforskede fremmed terræn.

Den sidste fælles forfader til L. pictus og Homo sapiens levede for mindst 550 millioner år siden. På trods af de forskellige evolutionære stier, vi siden har rejst, afslører vores genomer en fælles biologisk arv.

De genetiske instruktioner, der driver transformationen af ​​en enkelt zygote til en levende krop, er slående ens i vores to arter. Specialiserede systemer adskiller sig fra et enkelt befrugtet æg og oversættelsen af ​​et virvar af proteiner til en enestående levende ting – på celleniveau foregår alt dette på nogenlunde samme måde for pindsvin og mennesker.

Disse dyr er "virkelig grundlæggende for vores forståelse af hele livet," sagde Hamdoun og placerede pindsvinet tilbage i sin tank. "Og historisk set meget utilgængelig genetisk."

Forsøgsakvariet blev bygget i 1970'erne, hvor det at øse liv fra havet var den eneste måde at skaffe forskningsprøver på. Et par etager oppe i Hubbs Hall førte Hamdoun vejen ind i urchin-planterummet - den første storstilede indsats for at opfostre successive generationer af dyrene i et laboratorium. På ethvert givet tidspunkt har holdet 1.000 til 2.000 søpindsvin i forskellige udviklingsstadier.

Række på række af bittesmå plastiktanke stod op ad en væg, som hver indeholdt et ungpindsvin i linsestørrelse. En stribe tape på hver tank noterede dyrets genetiske modifikation og dato for befrugtning. På nogle indikerede endnu et stykke tape dyr, der havde modifikationen i deres kønscellers DNA, hvilket betyder, at det kunne overføres til afkom. (Af denne grund holder laboratoriet sine pindsvin omhyggeligt adskilt fra den vilde population.)

"Et af de store spørgsmål i hele biologien er at forstå, hvordan rækken af ​​instruktioner i genomet giver dig den fænotype, du ønsker at studere," sagde Hamdoun - i det væsentlige, hvordan strengen af ​​aminosyrer, der er et dyrs genetiske kode, giver anledning til til det levende, respirerende væsens egenskaber. "En af de grundlæggende ting, du skal gøre, er at være i stand til at ændre det genom og derefter studere, hvad resultatet er."

Han pegede på en tank, der indeholdt et lille pindsvin, fra hvis genetiske kode proteinet ABCD1 er blevet klippet.

ABCD1 fungerer som en udsmider, forklarede Hamdoun, der parkerer langs cellemembranen og udstøder fremmede molekyler. Proteinets virkning kan beskytte cellen mod skadelige stoffer, men kan nogle gange virke imod en organismes bedste interesse, som når det forhindrer cellen i at absorbere en nødvendig medicin.

Forskere, der bruger pindsvin, hvori det protein ikke længere virker, kan studere et molekyles bevægelse gennem en organisme - for eksempel DDT - og måle, hvor meget af stoffet der ender i cellen uden den forvirrende interferens fra ABCD1. De kan omvendt manipulere, hvor stor en rolle ABCD1 spiller i at forhindre en celle i at absorbere et lægemiddel.

Og så er der de fluorescerende pindsvin.

"Magien sker i dette rum," sagde Jackson, da han gik ind i et smalt kontor med mikroskoper til en værdi af 1 million dollars i den ene ende og en årtier gammel hånddrevet centrifuge boltet til et bord i den anden.

Han placerede en petriskål indeholdende tre transgene pindsvin i størrelse med blyant-viskelæder under et mikroskop. Med en størrelse på 120 gange dens størrelse lignede hver Times Squares nytårsaften-bold kommet til live - et glødende, vrikkende væsen af ​​pentamerøs radial symmetri.

Fluorescens er ikke kun et pighuder-festtrick. Oplysning af cellerne gør det lettere for forskere at spore deres bevægelser i en organisme under udvikling. Forskere kan se, hvordan de tidlige celler i en blastula deler sig og reorganiserer sig til neuralt eller hjertevæv. Til sidst vil forskere være i stand til at slukke for individuelle gener og se, hvordan det påvirker udviklingen. Det vil hjælpe os med at forstå, hvordan vores egen art udvikler sig, og hvorfor den udvikling ikke altid forløber efter planen.

Laboratoriet har "gjort et fantastisk stykke arbejde. Det er virkelig blevet hilst velkommen af ​​samfundet," sagde Marko Horb, seniorforsker og direktør for National Xenopus Resource ved University of Chicagos Marine Biological Laboratory.

Horb driver det nationale clearinghus for genetisk modificerede arter af Xenopus, en kløfrø, der bruges i laboratorieforskning. Centret udvikler linjer af transgene frøer til videnskabelig brug og distribuerer dem til forskere.

Hamdoun forestiller sig et lignende ressourcecenter for sit laboratoriums pindsvin. De er allerede begyndt at sende små hætteglas med transgene pindsvinssperm til interesserede videnskabsmænd, som kan dyrke skræddersyede pindsvin med æg, der er erhvervet fra Hamdouns laboratorium eller en anden kilde.

Hamdoun husker tydeligt den tid, han brugte tidligere i sin karriere på at opspore tilfældige DNA-stykker, der var nødvendige for hans forskning, skuffelsen og frustrationen ved at skrive til professorer og tidligere postdocs for kun at finde ud af, at materialet for længst var gået tabt. Han vil hellere have, at fremtidige generationer af videnskabsmænd bruger deres tid på opdagelse.

"Biologi er virkelig interessant," sagde han. "Jo flere mennesker kan få adgang til det, jo mere vil vi lære."

Flere oplysninger: Elliot W. Jackson et al., Stabil kimlinjetransgenese ved hjælp af MinosTc1/marinerelementet i søpindsvin, Lytechinus pictus, bioRxiv (2024). DOI:10.1101/2024.03.26.586777

Journaloplysninger: bioRxiv

2024 Los Angeles Times. Distribueret af Tribune Content Agency, LLC.