加州大學(xué)圣地亞哥分校的生物學(xué)家開發(fā)出世界上第一個基于CRISPR / Cas9的方法來控制哺乳動物的遺傳繼承。世界各地的科學(xué)家一直在各種植物和動物物種中使用CRISPR / Cas9來編輯遺傳信息。編輯基因組的一種方法可以控制基因的兩個拷貝中的哪一個傳遞給下一代。盡管近年來已經(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間更長，測試它們需要更長的時間。

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·庫珀助理教授的帶領(lǐng)下，為基于這項技術(shù)的進一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，包括人類疾病的生物醫(yī)學(xué)研究。“我們的動機是將其作為實驗室研究人員控制小鼠多基因遺傳的工具，”Cooper說。“隨著進一步的發(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)中破壞基因的兩個拷貝時，本來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)計也使得它不能單獨通過群體傳播，與昆蟲中的CRISPR / Cas9“基因驅(qū)動”系統(tǒng)相比，這些系統(tǒng)建立在類似的潛在分子機制之上。

在為期兩年的項目期間，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)卵過程中對雌性小鼠有效，但在雄性精子產(chǎn)生過程中則不然。這可能是由于雄性和雌性減數(shù)分裂的時間不同，這一過程通常將染色體配對以改組基因組，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程的復(fù)雜遺傳系統(tǒng)的模塊化組裝。”

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

雖然新技術(shù)是為實驗室研究而開發(fā)的，但有些人設(shè)想未來的基因驅(qū)動將在野外建立這種方法，以恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)中包括嚙齒動物在內(nèi)的入侵物種的自然生物多樣性的平衡。“通過進一步的改進，應(yīng)該有可能開發(fā)基因驅(qū)動技術(shù)，以修改或可能減少哺乳動物種群，這些種群是疾病的載體或?qū)Ρ镜匚锓N造成損害，”比爾說。

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

“我們也有興趣了解進化機制，”庫珀說。“對于已經(jīng)進化了數(shù)千萬年的某些特征，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，以了解哺乳動物多樣性的起源。“