重磅！首次成功地在哺乳動(dòng)物中進(jìn)行基因驅(qū)動(dòng)

來(lái)源：作者：人氣：-發(fā)表時(shí)間：2019-01-25 17:08:00【大中小】

基因驅(qū)動(dòng)（gene drive）是一種基因工程技術(shù)，它促進(jìn)后代要比正常情形時(shí)更頻繁地遺傳來(lái)自一個(gè)親本的特定等位基因。它已在昆蟲中發(fā)揮作用。如今，在一項(xiàng)新的研究中，來(lái)自美國(guó)加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究人員發(fā)現(xiàn)它也能夠成功地在脊椎動(dòng)物中發(fā)揮作用。在這項(xiàng)研究中，他們描述了一種方法，它利用CRISPR-Cas9改變雌性小鼠生殖系細(xì)胞，從而促進(jìn)小鼠后代出現(xiàn)白色毛發(fā)和表達(dá)一種紅色熒光蛋白。相關(guān)研究結(jié)果于2019年1月23日在線發(fā)表在Nature期刊上，論文標(biāo)題為“Super-Mendelian inheritance mediated by CRISPR–Cas9 in the female mouse germline”。

英國(guó)愛(ài)丁堡大學(xué)研究員Bruce Whitelaw（沒(méi)有參與這項(xiàng)研究）說(shuō)，“這是第一篇強(qiáng)有力地描述基因驅(qū)動(dòng)在哺乳動(dòng)物中發(fā)揮作用的論文。”

根據(jù)論文通訊作者、加州大學(xué)圣地亞哥分校進(jìn)化發(fā)育生物學(xué)家Kimberly Cooper的說(shuō)法，啟動(dòng)這個(gè)研究項(xiàng)目的原因在于她和她的團(tuán)隊(duì)想要能夠復(fù)制其他物種的遺傳變化，這樣他們就能夠理解這些變化如何導(dǎo)致特定性狀。但是，利用傳統(tǒng)的小鼠遺傳學(xué)，將多個(gè)轉(zhuǎn)基因組合在一起并且讓小鼠中每個(gè)轉(zhuǎn)基因的兩個(gè)等位基因保持純合是很棘手的。比如，在兩只小鼠中，讓每只小鼠攜帶相同的三個(gè)基因的突變拷貝需要將近150個(gè)后代才有90%的機(jī)會(huì)讓它們中的一個(gè)后代是純合的三重突變體。

圖片來(lái)自The Scientist。

Cooper及其團(tuán)隊(duì)尋求加州大學(xué)圣地亞哥分校的Ethan Bier和Valentino Gantz的幫助，其中Bier和Gantz在2015年描述了在果蠅中成功使用了基因驅(qū)動(dòng)（Science， doi:10.1126/science.aaa5945）。

他們特別強(qiáng)調(diào)了這種技術(shù)能夠?qū)㈦s合突變快速轉(zhuǎn)化為果蠅群體中的純合突變。目標(biāo)是在特定的染色體位置上用Cas9切割DNA。隨后，通過(guò)一種稱為同源介導(dǎo)修復(fù)（homology directed repair）的過(guò)程校正這種DNA斷裂，在這種過(guò)程中，同源染色體上的互補(bǔ)基因座用作模板。就2015年的這種果蠅基因驅(qū)動(dòng)而言，這種模板攜帶著的向?qū)NA（gRNA）靶向一個(gè)將被編輯的野生型基因和cas9基因。通過(guò)這種方式，存在于一條染色體上的這個(gè)經(jīng)過(guò)編輯的基因最終在另一條染色體上復(fù)制，從而增加了它在下一代中遺傳的可能性。

Cooper說(shuō)，盡管基因驅(qū)動(dòng)在果蠅中取得了成功給人們帶來(lái)了希望，但是“它在小鼠中的效果并不明顯，這是因?yàn)槔ハx和小鼠在7.5億多年前就與共同的祖先分歧開(kāi)來(lái)”，在那么長(zhǎng)的時(shí)間里，“很多東西都可改變這種機(jī)制在動(dòng)物身上的作用。”

在這項(xiàng)新的研究中，Cooper團(tuán)隊(duì)著重關(guān)注編碼酪氨酸酶（Tyrosinase）的基因，它決定著毛發(fā)顏色，并且讓這些研究人員容易觀察他們的這個(gè)經(jīng)過(guò)編輯的基因是否發(fā)生了復(fù)制。他們將含有g(shù)RNA的基因驅(qū)動(dòng)插入到Tyrosinase基因的第四個(gè)外顯子中，其中這種gRNA能夠?qū)as9引導(dǎo)到Tyrosinase基因和一個(gè)編碼紅色熒光蛋白的基因上。

在將精子、卵子和胚胎發(fā)育過(guò)程中的不同時(shí)間和不同地方將一個(gè)激活cas9的轉(zhuǎn)基因引入到小鼠群體中后，Cooper團(tuán)隊(duì)觀察了他們培育出的小鼠是否具有白色的毛發(fā)，這是因?yàn)檫@可表明Cas9是否切割了Tyrosinase基因，此外，他們還觀察它們是否發(fā)出紅光熒光，這是因?yàn)檫@意味著遭受切割的Tyrosinase基因是否已被經(jīng)過(guò)編輯的基因拷貝修復(fù)。

Cooper團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)當(dāng)在雌性小鼠卵子發(fā)育期間激活Cas9時(shí)，這個(gè)經(jīng)過(guò)編輯的基因以高于50%（最好時(shí)大約72%）的頻率進(jìn)行復(fù)制。在早期的胚胎發(fā)育期間或者在雄性精子發(fā)育期間激活Cas9不會(huì)導(dǎo)致同源介導(dǎo)修復(fù)，相反地，這會(huì)主要導(dǎo)致Cas9靶位點(diǎn)發(fā)生插入或缺失。

這些研究人員正在優(yōu)化Cas9在雌性小鼠中產(chǎn)生的時(shí)間，并且正在研究更高的效率是否可能解決雄性動(dòng)物中同源介導(dǎo)修復(fù)的缺乏。Cooper說(shuō)，“這是首個(gè)證據(jù)表明基因驅(qū)動(dòng)可在哺乳動(dòng)物中發(fā)揮效果，但是它并不完美，因此我們想要讓它變得更好。”

參考資料

H.A. Grunwald et al., “Super-Mendelian inheritance mediated by CRISPR–Cas9 in the female mouse germline,” Nature, doi:10.1038/s41586-019-0875-2, 2019.