研究人员首次确定基因“剪刀”可加速特定基因遗传

2018年7月13日 15:50:48 来源: 中国科学报
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  近日,研究人员首次使用被称为基因“剪刀”的基因组技术CRISPR加快哺乳动物特定基因的遗传。这种极具争议的基因驱动策略几年前在实验室饲养的昆虫中得到证明。因为它能在整个物种中迅速传播一种基因,从而激发了人们利用致命基因消灭疟蚊等害虫的梦想。现在,被消灭的对象或许还有具有破坏作物或能致病的哺乳动物,如兔子和老鼠。

  不过,这项新研究的目的是创造新实验鼠品种,而不是消灭野生种群,它表明基因驱动对啮齿类动物的作用不如对昆虫有效。尽管如此,澳大利亚阿德莱德大学分子遗传学家Paul Thomas称,这是“在哺乳动物基因驱动技术方面迈出的重要的第一步”。

  近日,美国加州大学圣迭戈分校遗传学家Kimberly Cooper团队在预印本服务器bioRxiv上发表了这项研究。该团队包括Ethan Bier和Valentino Gantz,他们在3年前证明CRISPR技术可以对果蝇进行一种高效的基因驱动。该团队表示已将这项研究成果提交给同行评议杂志。

  “这是一项非常好的研究,而且意义重大。”澳大利亚堪培拉约翰·科廷医学院老鼠遗传学家Gaetan Burgio说,“关于啮齿类动物的基因驱动,我们还一无所知。我们都认为它与苍蝇的效率是一样的,但结果却大不相同。”

  加州大学圣迭戈分校的研究人员设计了携带DNA切割酶Cas9的雌鼠以及携带向导RNA(gRNA)的雄鼠——gRNA能将Cas9运送到基因组的一个特定目标上,再加上一个可以修饰皮毛颜色的基因。Cas9和gRNA是CRISPR的两种成分。

  Cas9切割后,一个细胞会修复损伤,它是基因驱动成功的关键。这个细胞既可以重新连接被切断的DNA链,也可以通过插入新的DNA片段弥补缺口,这一过程被称为同源定向修复(HDR)。

  研究人员利用一种基本生物现象迫使细胞向HDR靠近。在减数分裂期间,他们对Cas9进行了控制。这一细胞分裂过程有助于产生精子或卵子。在减数分裂期间,染色体会自然地交换DNA,而在这些交换过程中,细胞只允许进行HDR。

  结果显示,该策略在雄鼠中无效,可能是因为精原细胞在减数分裂前经过了正常的有丝分裂。但在雌鼠中,基因驱动成功了。它将许多卵细胞的毛色修饰基因复制到了伴侣染色体上,这将显著提高后代继承该基因的几率。

  在一只雌鼠身上,79%的卵细胞最终都在两条染色体上携带毛色修饰基因。如果它与没有该基因的雄性交配,大约90%的幼仔会遗传该基因。Cooper等人写道,这种策略可以加速培养具有引入或受损基因的老鼠。

  世界上最大的转基因鼠生产商杰克逊实验室技术评估和发展部的负责人Michael Wiles表示,该方法可能“非常有用”,人类的许多疾病都是由几个基因畸变引起的,而且制作小鼠模型模仿这些疾病缓慢而艰难。Wiles说,有了这样的基因驱动技术,5年的工作可以在1年内完成。

  尽管这项新研究的目的仅仅是设计实验鼠,但麻省理工学院进化生物学家Kevin Esvelt说,这让他感到担忧。他认为该技术形成的小鼠可能被释放到野生环境中从而产生不良影响。“令人不安的是,这项研究并没有明确提到保障措施。”Esvelt说。

  然而,基因驱动可能会在几代后停止在鼠群中扩散。因为Cas9和gRNA的基因在不同的染色体上,它们会逐渐分离从而失效。在预印文本中,研究人员强调了为野生哺乳动物创造高效基因驱动的持续挑战。他们得出结论说:“关于基因驱动很快会被用于减少野外入侵性啮齿类动物数量的乐观或忧虑,都可能为时过早。”


本文来源: 中国科学报
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