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科学家制造出能传染的基因 精选

已有 6408 次阅读 2015-3-20 10:08 |个人分类:自然科学|系统分类:海外观察

我们知道,疟疾通过蚊子叮咬患者传播,因为疟疾这种寄生在人血液红细胞内的寄生虫,在蚊子体内能存活,给这种疾病传播带来了机会。如果能让蚊子携带一种对抗疟疾的基因,使疟疾原虫无法在蚊子体内生存,这或许是一种比较环保的方法,但是一个困难是如何让这种基因在野外传播,因为你不可能获得比较高的传播效率,你不可能将所有的蚊子进行改造。更为尴尬的是,根据遗传学规则,某一基因在传代过程中会迅速被稀释,一个父母的基因传递到子女只有1/4的几率。理论上可以让父母的所有等位基因全部进行改造,或者让蚊子成为绝对纯种的,这样所有后代都携带他们的这种基因,这样能保证万无一失地将基因武器传播出去。实现这一目的的技术在过去难以想象,现在有了CRISPR这个基因编辑神器,让科学家几乎能随心所欲地编辑目的基因。更不可思议的是,这种编辑后基因会发生高水平转移,即使和正常蚊子交配,产生的后代依然是纯种的,这似乎完全不可能的现象竟然会出现,这也许要改变人们传统的遗传学概念。刚刚发表在《科学》杂志上的一项研究,就是给大家这么地形象地表演了一个如何编辑基因的好戏。

http://news.sciencemag.org/biology/2015/03/chain-reaction-spreads-gene-through-insects

20141228日,加州大学圣地亚哥分校教授Valentino Gantz 他的博士生Ethan Bier在实验室检查他们的果蝇,他们的果蝇患有一种色素沉着障碍,这是一种X连锁隐性遗传性白化病。根据经典的孟德尔遗传学规则,如果妈妈的X染色体存在基因突变,子女中大约1/4的比例存在这种突变。奇怪的是,这些果蝇的后代并没有发生任何白化病,只出现一种淡黄色的苍蝇。Bier说,“我们都惊呆了,简直是太阳从西边升起一样!”。


他们继续确认了这种现象,3天后将文章投稿给《科学》,本周《科学》在线发表了他们的研究结果。GantzBier的研究发现,如果将一个果蝇色素基因的两个正常拷贝全部进行突变(mutation disabled both不知如何翻译),可在下一代获得97%遗传效率,这几乎是一种彻底的基因操作。产生这种高成功率的秘密是,他们使用了一种当今正流行的基因编辑工具CRISPR。这是遗传学领域的技术革新,能让一种性状在一个群体,甚至整个物种内迅速扩散。例如,一只蚊子获得一种能对抗疟疾的基因,理论上在一个季节就能彻底控制疟疾的流行(示意图)。

最近有学者提出限制对人类胚胎进行基因改造,文章发表正巧是在这个档口发表,有火上浇油的味道。哈佛大学医学院遗传学家George Church是这个领域的领袖之一,他认为这一研究步子太快了,应该限制其发表,因为没有提供限制突变基因无限制扩散的手段。

制造这种不可思议的基因扩散系统并不是Gantz的初衷。Bier说他们开始只是试图解决一个技术问题。Gantz正研究果蝇翅静脉的发育,为此他需要进行多基因突变。这种研究比较繁琐,许多大量的培养果蝇才能筛选出一个符合条件多基因突变的变种。去年夏天,Gantz选择了CRISPR系统,该系统利用细菌蛋白Cas9,通过一段RNA发现目标基因序列,然后进行删除更换,或者对目标DNA序列进行编辑。Gantz希望制造一种能自我催化的突变。一旦这种目的实现,该基因能制造出一个新的CRISPR系统,然后对其目标基因进行编辑。个人理解是他们的工具是让动物基因组内获得CRISPR系统,制造出能遗传的自身编辑系统。显然这是一种能传染的基因,能将目标基因修改成为突变基因的方法。这听上去有一些恐怖。

经过和加州大学进行讨论,大学给他们开了绿灯,但需要考虑到生物安全性,所有果蝇都必须用三层玻璃管和盒子保存,实验室有5道门和指纹识别系统。

GantzBier知道,他们已经实现了制造出双突变这个第一目标。20141218日,当通过胚胎注射进行CRISPR编辑后,他们成功地对果蝇X染色体上色素基因进行了双突变,获得了黄色雌果蝇。但他们希望知道这种工程基因能否对后代的目标基因进行编辑。1228日的结果确认了这种能力。其转化效率可达到97%。加州大学欧文分校遗传学家Anthony James认为这个技术实在是神奇。20年前,他们的实验室利用异常繁琐的技术制造出第一个转基因蚊子。现在Bier James已经开始合作制造携带有能阻断疟疾传播的蚊子。他们预期今年底能完成这一研究。

在这场基因编辑的竞赛中,他们并不是唯一的团队。Church小组也在使用CRISPR对酵母进行编辑。他们将建立一种精确的控制系统,以避免这一方法的失控。例如他们将Cas9基因和目标基因放在不同系统内。Gantz Bier的方法没有这种安全措施,Church认为是技术上的缺陷,这非常不合适。

Bier不同意Church的批评,他认为Church的酵母安全措施不适合用于果蝇系统内。他们对安全性早就经过深思熟虑。



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