基因驅(qū)動（gene drive）是一種基因工程技術(shù),它促進后代要比正常情形時更頻繁地遺傳來自一個親本的特定等位基因.它已在昆蟲中發(fā)揮作用.如今,在一項新的研究中,來自美國加州大學(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物中發(fā)揮作用.在這項研究中,他們描述了一種方法,它利用CRISPR-Cas9改變雌性小鼠生殖系細胞,從而促進小鼠后代出現(xiàn)白色毛發(fā)和表達一種紅色熒光蛋白.
英國愛丁堡大學(xué)研究員Bruce Whitelaw（沒有參與這項研究）說,“這是第一篇強有力地描述基因驅(qū)動在哺乳動物中發(fā)揮作用的論文.”
根據(jù)論文通訊作者 加州大學(xué)圣地亞哥分校進化發(fā)育生物學(xué)家Kimberly Cooper的說法,啟動這個研究項目的原因在于她和她的團隊想要能夠復(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),將多個轉(zhuǎn)基因組合在一起并且讓小鼠中每個轉(zhuǎn)基因的兩個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基因的突變拷貝需要將近150個后代才有90%的機會讓它們中的一個后代是純合的三重突變體.
圖片來自The Scientist.
Cooper及其團隊尋求加州大學(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（Science, doi:10.1126/science.aaa5945）.
他們特別強調(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.目標是在特定的染色體位置上用Cas9切割DNA.隨后,通過一種稱為同源介導(dǎo)修復(fù)（homology directed repair）的過程校正這種DNA斷裂,在這種過程中,同源染色體上的互補基因座用作模板.就2015年的這種果蠅基因驅(qū)動而言,這種模板攜帶著的向?qū)NA（gRNA）靶向一個將被編輯的野生型基因和cas9基因.通過這種方式,存在于一條染色體上的這個經(jīng)過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,盡管基因驅(qū)動在果蠅中取得了成功給人們帶來了希望,但是“它在小鼠中的效果并不明顯,這是因為昆蟲和小鼠在7.5億多年前就與共同的祖先分歧開來”,在那么長的時間里,“很多東西都可改變這種機制在動物身上的作用.”
在這項新的研究中,Cooper團隊著重關(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經(jīng)過編輯的基因是否發(fā)生了復(fù)制.他們將含有g(shù)RNA的基因驅(qū)動插入到Tyrosinase基因的第四個外顯子中,其中這種gRNA能夠?qū)as9引導(dǎo)到Tyrosinase基因和一個編碼紅色熒光蛋白的基因上.
在將精子 卵子和胚胎發(fā)育過程中的不同時間和不同地方將一個激活cas9的轉(zhuǎn)基因引入到小鼠群體中后,Cooper團隊觀察了他們培育出的小鼠是否具有白色的毛發(fā),這是因為這可表明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,這是因為這意味著遭受切割的Tyrosinase基因是否已被經(jīng)過編輯的基因拷貝修復(fù).
Cooper團隊發(fā)現(xiàn)當在雌性小鼠卵子發(fā)育期間激活Cas9時,這個經(jīng)過編輯的基因以高于50%（最好時大約72%）的頻率進行復(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不會導(dǎo)致同源介導(dǎo)修復(fù),相反地,這會主要導(dǎo)致Cas9靶位點發(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)生的時間,并且正在研究更高的效率是否可能解決雄性動物中同源介導(dǎo)修復(fù)的缺乏.Cooper說,“這是首個證據(jù)表明基因驅(qū)動可在哺乳動物中發(fā)揮效果,但是它并不完美,因此我們想要讓它變得更好.
