加州大學(xué)圣地亞哥分校的生物學(xué)家開發(fā)出世界上第一個(gè)基于CRISPR / Cas9的方法來(lái)控制哺乳動(dòng)物的遺傳繼承。世界各地的科學(xué)家一直在各種植物和動(dòng)物物種中使用CRISPR / Cas9來(lái)編輯遺傳信息。編輯基因組的一種方法可以控制基因的兩個(gè)拷貝中的哪一個(gè)傳遞給下一代。盡管近年來(lái)已經(jīng)在昆蟲中開發(fā)了這種“活性遺傳學(xué)”方法，但在哺乳動(dòng)物中創(chuàng)造這樣的工具更具挑戰(zhàn)性，并且由于世代之間的時(shí)間更長(zhǎng)，測(cè)試它們需要更長(zhǎng)的時(shí)間。

1月23日在加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究人員聯(lián)合研究小組發(fā)表了一篇關(guān)于老鼠的新活性遺傳技術(shù)的自然雜志。加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究生Hannah Grunwald，助理研究員Valentino Gantz及其同事在金伯利·庫(kù)珀助理教授的帶領(lǐng)下，為基于這項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，包括人類疾病的生物醫(yī)學(xué)研究。“我們的動(dòng)機(jī)是將其作為實(shí)驗(yàn)室研究人員控制小鼠多基因遺傳的工具，”Cooper說(shuō)。“隨著進(jìn)一步的發(fā)展，我們認(rèn)為有可能制造復(fù)雜的人類遺傳疾病的動(dòng)物模型，如關(guān)節(jié)炎和癌癥，目前還不可能。”

為了證明小鼠的可行性，研究人員將一種活躍的遺傳“CopyCat”DNA元件設(shè)計(jì)成控制毛皮顏色的酪氨酸酶基因。當(dāng)CopyCat元素在鼠標(biāo)中破壞基因的兩個(gè)拷貝時(shí)，本來(lái)是黑色的毛皮是白色的，這是他們方法成功的明顯讀數(shù)。CopyCat元素的設(shè)計(jì)也使得它不能單獨(dú)通過(guò)群體傳播，與昆蟲中的CRISPR / Cas9“基因驅(qū)動(dòng)”系統(tǒng)相比，這些系統(tǒng)建立在類似的潛在分子機(jī)制之上。

在為期兩年的項(xiàng)目期間，研究人員使用各種策略確定CopyCat元件可以從一條染色體復(fù)制到另一條染色體，以修復(fù)CRISPR / Cas9靶向DNA的斷裂。結(jié)果，最初僅存在于兩條染色體之一上的元素被復(fù)制到另一條染色體上。在其中一個(gè)家庭中，多達(dá)86%的后代從母本繼承了CopyCat元素而不是通常的50%。

這種新方法在產(chǎn)卵過(guò)程中對(duì)雌性小鼠有效，但在雄性精子產(chǎn)生過(guò)程中則不然。這可能是由于雄性和雌性減數(shù)分裂的時(shí)間不同，這一過(guò)程通常將染色體配對(duì)以改組基因組，并可能有助于這種工程化的復(fù)制事件。根據(jù)加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究合作者Ethan Bier教授的說(shuō)法，研究結(jié)果“為合成生物學(xué)的各種應(yīng)用開辟了道路，包括用于研究不同生物過(guò)程的復(fù)雜遺傳系統(tǒng)的模塊化組裝。”

Cooper和她的實(shí)驗(yàn)室成員現(xiàn)在正在彈跳這個(gè)基于單一基因的第一次哺乳動(dòng)物活躍的遺傳成功 - 并嘗試將該工具擴(kuò)展到多個(gè)基因和特征。“我們已經(jīng)證明我們可以將一個(gè)基因型從雜合子轉(zhuǎn)換成純合子?，F(xiàn)在我們想看看我們是否可以有效地控制動(dòng)物中三個(gè)基因的遺傳。如果可以同時(shí)對(duì)多個(gè)基因?qū)嵤?，它可以徹底改變小鼠遺傳學(xué)，“庫(kù)珀說(shuō)。

雖然新技術(shù)是為實(shí)驗(yàn)室研究而開發(fā)的，但有些人設(shè)想未來(lái)的基因驅(qū)動(dòng)將在野外建立這種方法，以恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)中包括嚙齒動(dòng)物在內(nèi)的入侵物種的自然生物多樣性的平衡。“通過(guò)進(jìn)一步的改進(jìn)，應(yīng)該有可能開發(fā)基因驅(qū)動(dòng)技術(shù)，以修改或可能減少哺乳動(dòng)物種群，這些種群是疾病的載體或?qū)Ρ镜匚锓N造成損害，”比爾說(shuō)。

但是，這些數(shù)據(jù)還表明，野外實(shí)際使用所需的技術(shù)改進(jìn)需要時(shí)間仔細(xì)考慮這項(xiàng)新技術(shù)的哪些應(yīng)用可以而且應(yīng)該實(shí)施。然而，研究人員指出，他們的研究結(jié)果證明了一項(xiàng)重大進(jìn)展，可能已經(jīng)減少了推進(jìn)人類疾病生物醫(yī)學(xué)研究和了解其他類型復(fù)雜遺傳特征所需的動(dòng)物的時(shí)間，成本和數(shù)量。

“我們也有興趣了解進(jìn)化機(jī)制，”庫(kù)珀說(shuō)。“對(duì)于已經(jīng)進(jìn)化了數(shù)千萬(wàn)年的某些特征，遺傳變化的數(shù)量大于我們目前在小鼠中組裝的數(shù)量，以了解導(dǎo)致蝙蝠手指長(zhǎng)成翅膀的原因。所以我們想要制造大量的這些積極的遺傳工具，以了解哺乳動(dòng)物多樣性的起源。“