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新的“分裂驱动”系统让科学家坐在(基因)驾驶员的座位上

研究人员开发了一种可调谐系统,利用基因驱动所携带的货物的传播

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  • 马里奥·阿奎莱拉

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强大的基因工程新方法使科学家有可能彻底改变几个全球紧迫的领域。

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分裂驱动系统被开发出来,因此转基因可以自然分离。左上角的苍蝇携带三个转基因基因,其他的只携带一个。这可以通过明显荧光的身体部位来观察。资料来源:加州大学圣地亚哥分校的Gerard Terradas

所谓的基因驱动,利用CRISPR技术来影响基因遗传,有望在给定物种的种群中迅速传播特定的遗传特征。例如,应用于昆虫的基因驱动技术正被设计成通过防止蚊子宿主被感染来阻止疟疾和登革热等毁灭性疾病的传播。在农业领域,基因驱动正在被开发,以帮助控制或消除对经济造成损害的作物害虫。

但是,随着改变种群的能力,人们也开始担心这些变革性新技术对野外环境的长期影响。研究人员和伦理学家提出了这样的问题:基因驱动一旦在某个地区的人群中失控,在必要时如何加以控制?

现在,加州大学圣地亚哥分校的研究人员、加州大学圣地亚哥分校的塔塔遗传与社会研究所(TIGS)以及他们在加州大学伯克利分校的同事们开发了一种新方法,可以对基因驱动释放提供更多的控制。新的“分拆驱动”的细节发表在3月5日的杂志上自然通讯而且eLife

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一种基因组中含有三个转基因基因的苍蝇,用红色(眼睛)、蓝色(胸部)和绿色(腹部)荧光标记。资料来源:加州大学圣地亚哥分校的Gerard Terradas

最常见的基因驱动采用双组分系统,其特点是一种dna切割酶(称为Cas9)和一种引导RNA(或gRNA),其目标是基因组中特定位点的切割。在Cas9/gRNA切割后,基因驱动及其携带的货物通过DNA修复过程复制到断裂位点。

虽然传统的基因驱动被设计成自主传播,但新开发的系统设计了分离基因实现过程的控制。分裂驱动系统由插入到基因组某个位置的不可扩散的Cas9组件和可以在另一个单独位置复制自身的第二个遗传元件组成,并带有有益的特征。当这两种元素同时存在于一个个体中时,就会产生一种“活跃的基因驱动”,将携带有益特征的元素传播给大多数后代。然而,当解耦时,携带有益性状的元素会按照典型的代际遗传学规则或孟德尔频率遗传,而不是不受限制地传播。

如在自然通讯在论文中,通过产生轻微的适应性成本,最终从人群中消除Cas9酶,分裂驱动系统极大地提高了遗传部署的控制和安全性。

“研究基本基因中的驱动力并不是一个新想法,本身但我们观察到,某些分裂情况能够在第一次引入时有效地传播货物,而在几代之后没有留下Cas9的痕迹,而且DNA修复过程中的错误也很少被迅速稀释,”该研究的第一作者Gerard Terradas说自然通讯他是加州大学圣地亚哥分校生物科学系的博士后学者。

自然通讯论文还阐述了公众如何看待基因驱动的优势,因为改变野生种群的努力可以根据预期的结果以各种方式灵活设计。

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表达Cas9(红色身体)和Home-and-Rescue (HomeR)驱动系统(绿色眼睛)的工程果蝇,旨在更安全稳定地在目标人群中实施基因改造。资料来源:加州大学圣地亚哥分校的Nikolay Kandul

新的分体式驱动系统紧随其后九月份公布的研究其中,加州大学圣地亚哥分校的研究人员领导开发了两种新的主动基因中和策略,旨在阻止或灭活在野外释放的基因驱动。

该研究的资深作者、加州大学圣地亚哥分校杰出教授Ethan Bier说:“我们希望我们开发的灵活设计功能能够广泛适用,在不同的情况下通过量身定制的方法来控制病媒昆虫和害虫。自然通讯研究和科学主任TIGS-UC圣地亚哥分校。

“这些开创性的论文反映了巨大的努力,以及卓有成效的跨加州大学合作,以展示新的基因驱动架构,以减轻抗性等位基因的形成,同时为野生种群的修改提供安全的限制手段,”加州大学圣地亚哥分校副教授Omar Akbari说eLife研究。

这些新论文的作者包括:Gerard Terradas, Anna Buchman, Jared Bennett, Isaiah Shriner, John Marshall, Omar Akbari和Ethan Bier自然通讯纸;以及Nikolay Kandul, Junru Liu, Jared Bennett, John Marshall和Omar AkbarieLife纸。

该研究得到了DARPA安全基因计划拨款(HR0011- 17-2-0047)、美国国立卫生研究院拨款(R21RAI149161A, R01AI151004, DP2AI152071, R01GM117321)、保罗·g·艾伦前沿小组杰出研究员奖以及印度塔塔信托基金赠送给TIGS-UC圣地亚哥分校的礼物。

注:比尔在他共同创立的两家公司拥有股权:Synbal Inc.和Agragene, Inc.。这可能会从研究结果中受益。他还在Synbal的董事会和两家公司的科学顾问委员会任职。阿克巴里是联合创始人,顾问,科学他是顾问委员会成员,并从Agragene获得收入。

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