“基因驱动”首次在哺乳动物中实现

编译 毛巍

CRISPR技术目前可以用于设计雌性转基因小鼠，这样使特定的基因传递给后代的可能性大大增加

近期，研究人员首次使用基因编辑工具CRISPR技术实现加速哺乳动物中特定基因的遗传。这项富有争议的“基因驱动”技术在多年前就在实验动物的繁育中崭露头角，现如今这项技术能够使得特定基因在整个物种中快速扩增。不仅如此，这项技术还大大激发了科学家的各种设想：是不是能够在动物体内导入某种致命的基因以消灭对人类有害的动物和昆虫，例如，携带有疟疾的蚊子、导致疾病传播的小鼠和大鼠？不过这项新研究的目的是培育新型实验小鼠，而并不是为了消灭野生小鼠种群。

此研究结果显示，基因驱动在啮齿动物体内的使用效率要远远低于昆虫。这项研究成果被加州大学圣地亚哥分校金佰莉·库伯（Kimberly Cooper）领衔的研究团队在bioRxiv网站提前公布。

研究人员设计了一个由雌性转基因小鼠驱动的基因组，这个基因组携带有DNA剪切酶Cas9的基因（Cas9是CRISPR的两个重要组件之一）。他们设计的雄性转基因小鼠则携带其他基因组分-向导RNA（gRNA），可以将Cas9基因连接至基因组的特定区域，同时还包括一个能够改变小鼠毛色的基因。雌鼠与雄鼠交配后产生的新一代小鼠具有基因编辑器CRISPR的全部组件，分布于不同染色体之上。

早期在动物体内开展的研究发现，在DNA剪切酶Cas9完成对DNA的剪切之后，细胞会进行损伤修复。细胞可以重新连接已经切断的DNA双链来修复损伤的DNA，也可以通过插入新的DNA片段来弥补被剪切后形成的间隙（这一过程被称为同源定向修复）。事实上，细胞自身更倾向于通过前一种形式来完成损伤修复，这其实阻碍了基因驱动的过程。研究团队利用了一种基本的生物学现象使得细胞进入同源定向修复的过程。他们操纵Cas9剪切酶基因使其在减数分裂过程中开启，进而产生精子或卵子。染色体在减数分裂过程中会交换DNA, 在DNA交换的过程中，细胞只能够选择同源定向修复方式完成修复的过程。这项实验经过验证在雄性小鼠中无效，但是在雌性小鼠体内，基因驱动的实验获得了成功。通过基因驱动的方式，将控制小鼠毛色的修饰基因复制至许多卵子染色体上，这一过程大大提高了将该基因遗传给后代的概率。库伯和她的研究团队在文章中描述道：这种“活性基因组件”系统可以加速创造出具有若干种导入基因的基因工程小鼠。

澳大利亚堪培拉约翰科廷医学院的小鼠遗传学家加埃唐·布尔希奥（Ga é tan Burgio）评论道：“我们之前对啮齿动物体内的基因驱动一无所知，还误认为啮齿动物和昆虫体内基因驱动的工作效率完全相同，但是实验结果却大大出乎我们的预料。”

澳大利亚阿德莱德大学也从事该项研究工作的分子遗传学家保罗·托马斯（Paul Thomas）评论道：“这项研究工作迈出了在哺乳动物中开发基因驱动技术的第一步。”

迈克尔·威尔斯（Michael Wiles）是缅因州巴尔港的杰克逊实验室技术评估和开发负责人，该实验室是世界上最大的基因工程小鼠生产机构之一。他认为这项技术“非常有用”，因为许多人类疾病都是由于特定基因发生突变引起的。通过基因模仿的方式获得患病的转基因小鼠费时费力。而利用此技术将大大缩短培育时间，从需要花费5年到只需要1年时间就可以完成。

虽然目前这项新工作只是用来设计实验室基因工程小鼠，但是麻省理工学院媒体实验室的进化生物学家凯文·艾斯维尔特（Kevin Esvelt）十分担忧。他坚持认为在野生动物身上利用基因驱动技术的一个重要前提是：必须在这项技术中设置一个能够关闭基因表达的开关，以确保野生动物能够恢复到自然状态。

然而，加州大学圣地亚哥分校新发现基因驱动方法只能够维持特定基因在小鼠群体中传播几代。他们在文章里总结说：“目前对基因驱动技术很快应用持过于乐观或悲观的态度可能还为时过早。”

资料来源 Science