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Science:CRISPR技术突破加速遗传学研究

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近期,美国加州大学圣地亚哥分校的生物学家,开发出一种新的方法,可在一个基因的两个副本产生突变,这一技术将迅速加快不同物种的基因研究,为科学家们提供一种强大的新工具,来控制疟疾等虫媒传染病,以及动物和植物病虫害。


这一新成果发表在三月十九日的《科学》(Science)杂志,是由加州大学圣地亚哥分校的两位生物学家完成。他们以果蝇为实验对象,采用一种新的基因组技术,来改变基因突变在一个种群中的传递——在植物中长期建立的一个概念,是由现代遗传学之父孟德尔提出。


加州大学圣地亚哥分校生物学教授Ethan Bier与他的研究生一起开发了这种方法,Bier教授解释说:“孟德尔用豌豆进行的经典实验,发现了许多生物(包括人类)遗传的基本原则。按照这些简单的遗传学原理,受精卵接收我们母亲大部分基因的一个拷贝,另一个拷贝来自于父亲,因此后代有每个基因的两个副本。”


具有一个基因两个拷贝的一个优势在于,如果一个副本携带非功能性突变,那么其他另外一个“好”的拷贝通常可以维持正常活性,以提供足够的功能。因此,导致基因功能缺失的大多数突变被称为隐性突变,即生物体在表现出明显缺陷之前,一定从其父母遗传了基因的两个突变拷贝,例如人类肌营养不良症、囊性纤维化或Tay-Sachs病。


Bier补充说:“因为携带一个基因单个突变拷贝的个体,往往与携带该基因两个正常拷贝的个体进行交配,突变可能隐藏在第一代中,但又出现在孙辈中。”


一个世纪以来,科学家已经充分了解了不同生物(包括人类、大多数我们熟悉的动物和许多植物)的遗传学。但是在过去的两年里,Bier和其他分子生物学家目睹了基因组操纵一场真正的革命。他说:“现在,在一个生物体的基因组中随意产生几乎任何变化,已经成为常规。该技术是基于一种细菌抗病毒防御机制,称为cas9 / CRISPR系统。”


通过将这种方法用于果蝇实验,Gantz和Bier证明,将这种抗病毒防御系统的标准元件组装成一种新结构,那么在果蝇染色体一个拷贝上产生的突变就会自动传播到其他染色体。Bier说,最终的结果是,一个基因的两个拷贝可以在一个点上被灭活。”


两位生物学家将他们这种新方法称为“突变链反应”或MCR(mutagenic chain reaction)。


该论文的第一作者Gantz说:“MCR在身体所有细胞都非常活跃的一个结果是,这些突变以95%的效率通过生殖细胞系传给后代。因此,一个MCR个体的几乎所有配子都携带突变,与典型的突变载体(只有一半的生殖细胞突变)形成对比。”


Bier说:“MCR有许多深远的影响。第一,改变一个基因的两个副本,这种能力应该会大大加快不同物种的遗传学研究。例如,同时在一个生物体产生两个基因的突变,通常是耗时的,因为它需要两代的参与,因为需要基因检测来识别携带两个突变的罕见后代。现在,我们应该能够简单地将携带两个不同MCR突变的个体进行杂交,它们所有的后代应该是两个基因的突变体。”


他补充道:“MCR,对于分散种群中的遗传因素以控制疟疾、登革热和基孔肯雅等虫媒传染病以及动物和植物病虫害,也将是非常有效的。例如,在疟疾病例中,有几个研究小组制备了基因盒,当被导入蚊子后,可防止疟原虫传播,从而阻断感染。然而,这一领域的一个重大挑战是,研究人员一直想发明一种方法,在蚊子种群中传播这些基因盒。MCR为这个问题提供了一种明显的解决方法,因为抗疟疾基因盒与MCR元素合并,可致使基因盒快速传播到目标种群。例如,如果100个个体当中有一个个体最开始就携带基因盒,那么基因盒在不到10代的时间内就能传播到所有的个体。”


Gantz指出,我们也可能利用MCR,用修改的病毒携带遗传元件,在一个个体的细胞间传播基因。由于MCR通过靶定特定的DNA序列而起作用,那么在病变细胞已经改变DNA的案例(如HIV感染者或某些类型的癌症)中,MCR方法应该能够将病变细胞与健康细胞区分开来,然后可以用于选择性地破坏或修改病变细胞。”


这两位生物学家在他们的论文中指出,虽然应用MCR可为健康和人类福利的重要问题提供潜在的解决方案,但如果落入不法之徒手中,它也可能造成严重的潜在风险。


Bier说:“携带MCR的生物如果意外排放到环境中,是否会导致它们将潜在有害的突变传播到野生种群中的绝大多数个体?我们不知道答案,并建议科学家在这种新方法用于开放实验室之前探讨这种可能性。也有可能,MCR技术可能被故意误用,这应该被视为一种风险,等同于管制品的恶意使用。”


Gantz和Bier的实验是在一个生物安全实验室进行的,该实验室具有高级控制以防止任何有害突变基因型的意外泄漏,MCR突变在果蝇中的传播是非常有效的,具有约95%的基因转化率。


因此,两名研究人员表示,处理MCR生物的严格安全协议和及时建立这类生物实验的监管指南,势在必行。Gantz说:“开发某种方法来逆转MCR传播,也将为降低风险提供一种手段。”


Bier同意其他学者对“分散害虫种群中的遗传因素”表示的严重担忧。他说:“类似于上世纪70年代著名的Asilomar会议,该会议对DNA重组技术的出现提出了担忧。也许我们应该召开类似的会议,讨论如何在联邦和制度层面上调控MCR技术,以保证它被安全使用,以实现其改善人类生活状况的全部潜力。”


原文链接:The mutagenic chain reaction: A method for converting heterozygous to homozygous mutations


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