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基因编辑工具CRISPR“动物园”欢迎你

活动家 2017-6-21 医疗健康 3,497 0 喜欢 (0)

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图片来源:Ryan Snook

Timothy Doran的11岁女儿对鸡蛋过敏。全球约有2%的儿童患有这种病症。像他们一样,Doran的女儿无法接受很多常规疫苗接种,因为它们是利用鸡蛋生产出来的。

身为澳大利亚联邦科学和产业研究组织(CSIRO)分子生物学家的Doran觉得,他能通过强大的基因编辑工具CRISPR-Cas9解决这一问题。大多数鸡蛋过敏是由蛋清中的4种蛋白之一引起的。而当Doran的同事改变了细菌内编码其中一种蛋白的基因时,由此获得的蛋白不会在对鸡蛋过敏者的血清中触发反应。Doran认为,利用CRISPR编辑鸡的基因能获得不会导致过敏反应的鸡蛋。

该团队希望在今年晚些时候孵化出第一代转基因鸡作为对概念的验证。Doran知道,要经过相当长一段时间,才能等到监管机构批准转基因鸡蛋上市。他希望自己的女儿到时候已经摆脱了过敏症。

鸡只是基因组将很快得到改造的一大群动物中的一种。时至今日,研究人员拥有的工具仅能对一小部分类别的动物进行基因操作,而且这一过程通常效率不高,也很费劲。随着CRISPR的到来,他们能更加精确、简单地改变很多生物体的基因。仅在过去两年间,当科学家试图将CRISPR用于诸如农业、药品生产以及恢复已消失物种等多个领域时,对猴子、猛犸象、蚊子和其他动物的基因进行编辑的前景频频见诸报端。利用CRISPR改造过的动物甚至被当作宠物在市场上出售。

不过,监管者仍在规划如何对待此类动物,尤其是那些用作食物或被释放到野外的动物。关于安全和生态影响的担心无处不在。甚至美国国家情报总监也介入此事,并表示,基因组编辑的轻松获取、廉价成本和飞速发展,会增加有些人制造有害生物制剂的风险。

在华盛顿特区威尔逊中心研究生物技术监管的Eleonore Pauwels表示,CRISPR在动物中的迅速应用为研究人员和政策制定者提供了让公众参与讨论的机会。她希望,此类讨论将有助于决定哪种CRISPR应用将对人类、其他物种以及科学最有用处,并且突出此项技术的极限。

疾病控制

抵抗疾病是CRISPR在农业中最流行的应用之一,而科学家正在修改多种动物的基因。在旧金山工作的生物技术企业家Brian Gillis希望,这种工具能帮助阻止由疾病、寄生虫等因素导致的全球蜜蜂的急剧消失。

目前,一些团队正利用CRISPR和其他基因编辑系统,培育对每年给农业带来上亿美元损失的病毒性疾病产生抵抗力的猪。英国爱丁堡罗斯林研究所动物生物技术专家Bruce Whitelaw领导的团队便是其中之一。

他们利用另一种基因编辑技术改变家猪免疫基因,使其同对非洲猪瘟有着天然抵抗力的疣猪免疫基因更加相近。来自密苏里大学的Randall Prather创建了一种在细胞表面拥有突变蛋白的猪,这种蛋白能让它们抵抗一种致死性呼吸道病毒。其他研究人员则正在培育对引发昏睡症的锥体虫寄生虫有抵抗力的牛。

药品生产

Doran对鸡蛋中过敏原的修改需要精确的控制。技巧在于以一种让蛋白不再触发人体免疫反应但仍使其在胚胎发育中扮演正常角色的方式,精细地调整一个基因序列。CRISPR使得此类精准编辑首次变成可能。

CSIRO分子生物学家Mark Tizard和Doran研究了原始生殖细胞(PGC)——最终转变成精子或卵子的未成熟细胞。和很多动物不同,鸡的PGC在发育期间主要存在于血流中。因此,研究人员能移除PGC,在实验室中编辑它们,然后将其送回正在发育的鸡体内。该团队甚至开发出一种将CRISPR组件直接插入血流中从而能在那里编辑PGC的方法。

研究人员还计划培育一种将基因组和CRISPR所需组件直接融合在一起的CRISPi鸡。这使得编辑鸡DNA更加简单,并且对“农场药”(利用家养动物创建的药物)来说是一大福音。

灭绝物种复活

约4000年前,人类的狩猎助推了猛犸象的灭绝。来自哈佛医学院的CRISPR先驱George Church因其雄心勃勃的计划而受到关注——利用CRISPR将濒临灭绝的印度象改造成猛犸象,或者至少是能抵抗寒冷的大象。他介绍说,目标是将它们释放到西伯利亚一个有着充足漫步空间的保护区内。

这项计划听上去有点疯狂,但让哺乳动物更像猛犸象的努力已持续了一段时间。去年,芝加哥大学遗传学家Vincent Lynch证实,拥有能感知热量和控制毛发生长的猛犸象版基因的细胞能在较低温度下生长,拥有类似基因的小鼠也更喜欢待在温度受到调控的笼子中偏凉的地方。Church表示,他已在大象胚胎中编辑了约14个此类基因。

当然,还有一些复活灭绝物种的项目没有这么大难度。比如,来自加州大学的Ben Novak想复活一种曾经无处不在但因过度狩猎而在19世纪末期灭绝的鸟类——候鸽。目前,他的团队正在比较博物馆样本和现代鸽子的DNA。Novak利用的PGC方法和Doran类似,并且计划编辑现代鸽子的基因组,从而使这种鸟类更像已灭绝的侯鸽。

病媒控制

几十年来,研究人员一直在探索基因改造蚊子的想法,以阻止诸如登革热、疟疾等疾病的传播。CRISPR为他们提供了一种新的方法。

去年11月,加州大学尔湾分校分子生物学家Anthony James用一种被称为基因驱动、将抗疟疾基因传递给蚊子后代的合成系统,培育出抗疟疾蚊子。基因驱动确保几乎所有蚊子的后代都能继承被编辑基因的两个拷贝,使其得以在整个种群中快速传播。

另一种在去年12月发表的基因驱动,可将一种令所有雌性蚊子绝育的基因传递给后代,从而使整个种群灭绝。蚊媒寨卡病毒在中南美洲的暴发使科学家对此项技术的兴趣大增。一些实验室开始建造能消灭携带寨卡的物种——埃及伊蚊的基因驱动。

更好的食品生产

去年11月,经过很长时间的评审后,美国食品药品监督管理局批准了用于人类消费的首个转基因动物——由马萨诸塞州AquaBounth技术公司培育、能快速生长的三文鱼。一些人仍在担心,如果这种三文鱼逃走,它们会和野生三文鱼繁殖后代,扰乱生态平衡。

为解决此类担心,亚拉巴马州奥本大学鱼类遗传学家Rex Dunham利用CRISPR使3种生殖激素失活。这种变化会让鱼类绝育,因此任何可能从养殖场逃走的鱼,无论是否经过基因改造,都是没有机会污染自然种群的。

CRISPR还会减少农民扑杀动物的需要。加州大学戴维斯分校生物技术专家Alison van Eenennaam正利用此项计划确保肉用牛只产生雄性或像雄性一样的后代,因为雌性肉用牛产出的肉较少,并且通常被捕杀。

宠物改良

去年9月,基因组学公司——华大基因(BGI)在中国深圳发布的一种微型猪大受欢迎。它只能长到15公斤左右,和一只标准达克斯猎狗的大小相仿。BGI培育这种猪起初是打算用于研究,但自此以后决定以1600美元的价格将其当作宠物出售。

BGI还正利用CRISPR改变锦鲤的大小、颜色和样式。BGI基因编辑平台负责人Jian Wang介绍说,公司将在2017年或2018年开始出售锦鲤,并计划最终增加其他种类的宠物鱼。

与此同时,澳大利亚悉尼大学遗传学家Claire Wade表示,CRISPR能被用于增强狗的能力。她的团队正在将不同品种间的基因差异进行分类,并希望辨别出涉及敏捷性等各种行为和特征的区域。因将以10万美元的价格克隆已故宠物而出名的韩国首尔秀岩生物科技公司,也对CRISPR的使用颇感兴趣。该公司研究人员David Kim介绍说,公司想增强诸如导盲犬或牧羊犬等工作犬的能力。

疾病模型

雪貂一直是很有用的流感研究模型,因为病毒能够在其呼吸道中复制,并且当被感染时,它们有时会打喷嚏,从而使研究病毒传播成为可能。不过,直到CRISPR的到来,病毒学家才有了轻松改变雪貂基因的工具。来自中科院的Xiaoqun Wang和同事利用CRISPR调整了参与雪貂大脑发育的基因。目前,他们正利用其改变这种动物对流感病毒的易感性。

行为研究人员对基因操纵狨猴和猴子的前景尤其感到兴奋。和标准的啮齿动物模型相比,这两种动物同人类的联系更为紧密。此项研究工作在中国和日本发展得最快。比如,来自中科院的神经学家Zilong Qiu和同事在今年1月发表了一篇文章,对MECP2基因中拥有CRISPR诱导突变的猕猴进行了描述,而MECP2同神经发育疾病——瑞特综合征相关。

CRISPR“动物园”正在飞速扩张——目前的问题是如何为前方的路“导航”。Pauwels表示,该领域可能会和此前一代转基因植物和动物研究一样,同样面临公众的极力反对。为避免这种状况,科学家需要就其工作的好处进行充分沟通。

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