斑马鱼——一种与人类共享许多相同基因的小型、快速生长的生物——对许多生物学家都有帮助，他们发现它们非常适合研究各种问题，从生物体如何发育到神经系统如何驱动行为。现在，有了犹他大学健康科学家开发的一项名为 MIC-Drop 的新技术，这种鱼将在大规模遗传研究中变得更加强大。

MIC-Drop 的开发由 U Health 药学院院长、化学生物学家 Randall Peterson 博士领导，使研究人员能够有效地将 CRISPR 基因编辑系统部署到斑马鱼中，以快速评估数百个基因的功能在一次实验中。这一进步标志着第一次可以在任何动物模型中使用强大的、获得诺贝尔奖的 CRISPR 技术进行筛选。Peterson 的团队已经使用 MIC-Drop 来识别对心脏健康发育和功能至关重要的几个基因。他们的方法和发现于 2021 年 8 月 19 日发表在《科学》杂志上。

CRISPR 系统是一种用于修饰 DNA 的可编程方法。为了使用它，研究人员将一种 DNA 切割酶(通常是一种称为 Cas9 的酶)引入细胞，并伴随着一个 RNA 指导，告诉酶在哪里切割。这可以是修改基因序列的第一步，或者只是关闭基因。

该方法使斑马鱼和其他实验室生物的基因编辑更快、更便宜、更精确——但是，彼得森说，一次研究多个基因的规模很难扩大。为了使斑马鱼胚胎中的单个基因失活，研究人员制备了靶向该基因的引导 RNA，然后将其与 Cas9 酶混合，将溶液装入针中，然后将经过仔细校准的溶液体积注入胚胎中。如果他们想灭活不同胚胎中的不同基因，他们必须用新的 Cas9/guide RNA 溶液装入新针头。“这个过程一直集中在一个基因或一次修改上，”彼得森说。“所以如果你想做 100 个基因，它的工作量是其 100 倍。”

MIC-Drop 代表 Multiplexed Intermixed CRISPR Droplets，它通过将 CRISPR 系统的组件包装成微小的油包裹液滴来解决这个问题，这些液滴可以混合在一起而不会混合其内容物。为了使用 MIC-Drop 对许多基因进行筛选，研究人员首先创建了一个引导 RNA 库。每个向导 RNA 都与 Cas9 酶一起打包成自己的液滴。为了跟踪目标基因，每个液滴还包含一个识别其内容的 DNA 条形码。

该团队对液滴的化学成分进行了微调，以确保它们保持稳定和离散，因此设计用于靶向不同基因的液滴可以混合在一起并装入同一针中。在显微镜下，MIC-Drop 用户将单个液滴注入斑马鱼胚胎，然后移至下一个胚胎并注入下一个液滴。这个过程可以重复数百次，向每个胚胎输送一包 CRISPR 组件，这样在每个胚胎中，系统都会使单个基因失活。然后由研究人员来监测动物的潜在影响。

博士后研究员 Saba Parvez 博士说，以前，在斑马鱼中建立数百个基因的 CRISPR 筛选需要一个研究小组花费数天时间，并且需要数百根针，他开发并优化了 MIC-Drop 的包装技术和条形码系统。“现在您已将该流程简化为一个用户在几个小时内完成，”他说。

为了证明 MIC-Drop 的潜力，Parvez 及其同事与 U of U Health 的同事 H. Joseph Yost 博士、哈佛医学院的 Calum MacRae 医学博士和 Jing-Ruey Joanna Yeh 博士合作.D.，在马萨诸塞州总医院测试 188 种不同的斑马鱼基因在心脏发育中的潜在作用。在创建针对这些基因的引导 RNA 并将 CRISPR 系统引入数百个鱼胚胎后，他们确定了几种在成熟时出现心脏缺陷的动物。使用这些鱼的 DNA 条形码，该团队能够将缺陷追溯到 13 个不同的失活基因。由于斑马鱼和人类基因之间的相似性，这一发现可能指向人类心脏发育以前未知的方面。

Peterson 和 Parvez 渴望看到 MIC-Drop 在其他实验室投入使用，他们说 188 基因筛选只是一个开始。“最终，人们希望能够进行基因组规模的筛选，”彼得森说。“我认为这种技术实际上可以想象这种规模。”

该研究发表为“MIC-Drop：大规模体内 CRISPR 筛选平台”。