基因编辑工具CRISPR“动物园”欢迎你
时间:2017-12-07

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  蒂莫西•多兰(Timothy Doran)11岁的女儿对鸡蛋过敏,全世界大约有2%的孩子患有这种疾病,像他们一样,多兰的女儿由于是用鸡蛋制成的,所以很多常规疫苗都不能接受。

  英联邦科学与工业研究组织(CSIRO)的分子生物学家多兰说,他可以用CRISPR-Cas9这个功能强大的基因编辑工具来解决这个问题。大多数鸡蛋过敏是由蛋清中的四种蛋白之一引起的。当Doran的同事改变了编码其中一种蛋白质的细菌中的基因时,这样得到的蛋白质并没有引起蛋过敏人的血清反应,多兰认为用CRISPR编辑鸡基因会产生卵子,不要引起过敏反应。

  该小组希望在今年晚些时候孵化第一代转基因鸡,作为概念证明。多兰知道,监管部门批准转基因生物蛋上市需要很长时间。他希望女儿在那个时候戒除过敏症。

  鸡只是一大群动物的基因组即将转化的一个组成部分。迄今为止,研究人员拥有的工具只能对一小部分动物进行操作,而且往往效率低下,费力。随着CRISPR的出现,他们能够更精确简单地改变许多生物的基因。仅在过去的两年中,科学家就频繁地报道了编辑猴子,猛犸象,蚊子和其他动物的基因的前景,因为他们试图在农业,药物生产和遗失物种恢复等领域使用CRISPR 。用CRISPR转化的动物甚至可以作为宠物销售。

  然而,监管机构仍在计划如何对待这些动物,特别是那些用作食物或放到野外的动物。对安全和生态影响的担忧无处不在。即使是美国国家情报总监也参与其中,说基因组编辑容易获得,成本更低,成本更高,这会增加一些人制作有害生物的风险。

  华盛顿威尔逊中心生物技术研究总监Eleonore Pauwels表示,CRISPR在动物中的快速应用为研究人员和决策者提供了一个让公众参与的机会。她希望这样的讨论将有助于确定哪些CRISPR应用程序对人类,其他物种和科学最有用,并强调这项技术的局限性。

  疾病控制

  疾病防治是CRISPR在农业中最流行的应用之一,科学家正在修改许多动物的基因。在旧金山工作的生物技术企业家Brian Gillis希望这样的工具能够帮助阻止由疾病,寄生虫和其他因素导致的全球蜜蜂在全球大幅消失。

  目前,一些团队正在使用CRISPR和其他基因编辑系统来培育抗病毒病的猪,这些病毒每年造成数十亿美元的农业损失。由英国爱丁堡罗斯林研究所动物生物技术专家Bruce Whitelaw领导的研究小组就是其中之一。

  他们使用另一种基因编辑技术来改变家猪的免疫基因,使其更接近天然抗非洲猪瘟的疣猪的免疫基因。来自密苏里大学的Randall Prather创建了一种在细胞表面具有突变蛋白的猪,使其能够与致命的呼吸道病毒作斗争。其他研究人员正在开发能够导致嗜睡的金字塔形寄生虫的牛。

  药物生产

  Doran对蛋类过敏原的修饰需要精确的控制,诀窍是微调基因序列,使蛋白质不再引发机体的免疫反应,但在胚胎发育中仍然起着正常的作用。 CRISPR首次使这种类型的精确编辑成为可能。

  CSIRO分子生物学家Mark Tizard和Doran研究了原始生殖细胞(PGCs)最终转化为精子或卵子的未成熟细胞。与许多动物不同,鸡PGC在发育过程中主要存在于血液中。因此,研究人员可以删除PGCs,在实验室进行编辑,然后送回发育中的鸡。该团队甚至开发出一种方法,将CRISPR组件直接插入到可编辑PGC的血流中。

  研究人员还计划开发一种CRISPi鸡,直接将基因组与CRISPR所需的组件进行整合。这使得编辑鸡的DNA更容易,并且是使用家畜创造的农药的福音。

  绝种物种复活

  大约四千年前,人类的狩猎促使了猛犸象的灭绝。来自哈佛医学院的CRISPR的先驱乔治·丘奇(George Church)正在引起关注,因为他雄心勃勃的计划是使用CRISPR将濒临灭绝的印度大象变成一头猛犸象,或者至少是一头冷血象。他解释说,目标是把他们放到西伯利亚的一个保护区,有足够的步行空间。

  这个计划听起来有些疯狂,但是让哺乳动物变得更像猛犸象的努力已经持续了一段时间。去年,芝加哥大学(University of Chicago)的遗传学家文森特·林奇(Vincent Lynch)证实,拥有巨大感官基因的细胞可以在较低的温度下生长,感受卡路里并控制头发生长。基因样小鼠也喜欢呆在温度控制的笼子里,在凉爽的地方。教会说他已经在大象胚胎中编辑了大约14个这样的基因。

  当然,还有一些项目是已经灭绝的物种,并不是那么难。例如,加利福尼亚大学的本·诺瓦克想要复活一只曾经无处不在但在十九世纪晚期灭绝的鸽子。他的团队正在比较博物馆样本和现代鸽子的DNA。诺瓦克的PGC方法类似于多兰,并计划编辑现代鸽子的基因组,使鸽子更像灭绝的鸽子。

  矢量控制

  几十年来,研究人员一直在探索基因工程蚊子的想法,以阻止登革热和疟疾等疾病的传播。 CRISPR为他们提供了一种新的方法。

  去年11月,加州大学欧文分校的分子生物学家安东尼·詹姆斯(Anthony James)用一种称为基因驱动的合成系统培育抗疟疾蚊子,将抗疟疾基因传给蚊子后代。基因驱动,以确保几乎所有的蚊子后代能够继承编辑基因的两个副本,使其在整个人口中迅速传播。

  去年12月份的另一个基因驱动的发布传递了一个基因,将所有雌性蚊子消毒给后代,从而消灭了整个人口。中美洲和南美洲蚊虫传播的寨卡病毒的爆发增加了科学家对这一技术的兴趣。一些实验室已经开始构建能够消除携带Zika的埃及伊蚊(Aedes aegypti)的基因。

  更好的食物生产

  去年11月,经过长时间的审查,美国食品和药物管理局批准了第一个快速生长的鲑鱼,位于马萨诸塞州的AquaBounth Technologies Inc.批准供人食用。有人仍然担心,如果鲑鱼逃跑,他们会用野生鲑鱼繁殖后代,破坏生态平衡。

  为了解决这些担忧,阿拉巴马州奥本大学的鱼类遗传学家Rex Dunham使用CRISPR灭活三种生殖激素。这样的变化会杀死鱼,所以任何可能从农场逃出来的鱼,无论是否经过基因改造,都没有机会污染自然界的人口。

  CRISPR还减少了农民杀死动物的需求。戴维斯加利福尼亚大学的生物技术专家Alison van Eenennaam正在使用这一计划来确保肉牛生产男性或者男性后代,因为女性肉牛产肉量少,通常会被杀死。

  宠物的改善

  去年9月,中国深圳的基因组巨头BGI在中国发行的一头小型猪,开始流行起来。它只能长到15公斤左右,大约是标准腊肠的大小。 BGI最初是打算用于研究的,但是后来决定以1600美元的价格出售它作为宠物。

  BGI也使用CRISPR来改变Koi的尺寸,颜色和风格。华大基因编辑平台负责人王剑表示,公司将于2017年或2018年开始销售锦鲤,并计划最终增加其他品种的宠物鱼。

  同时,澳大利亚悉尼大学的遗传学家克莱尔·韦德(Claire Wade)说,CRISPR可以用来提高狗的能力,她的团队正在分类品种之间的遗传差异,并希望找出处理各种行为和性状的区域,如敏捷性,韩国的Sauvurea生物技术公司以克隆10万美元的宠物而闻名,同时也对CRISPR的使用感兴趣。该公司的研究员金大卫(David Kim)表示,该公司希望提高导盲犬或牧羊犬等工作犬的能力。

  疾病模型

  雪貂长期以来一直是一个有用的流感研究模型,因为病毒在呼吸道中复制,有时在感染时打喷嚏,使研究病毒传播成为可能。然而,在CRISPR进入之前,病毒学家没有办法容易地改变雪貂。中国科学院的王晓群及其同事利用CRISPR来调整雪貂“大脑发育”中的基因,目前正在利用它来改变动物对流感病毒的易感性。

  行为研究人员对mar猴和猴子的基因操作的未来感到特别兴奋。与标准啮齿类动物模型相比,这两种动物与人类的关系更为密切。这项研究是中国和日本增长最快的。例如,中国科学院神经科学家齐龙秋及其同事在今年一月份发表了一篇文章,描述了一种与CRISPR诱导的MECP2基因突变相关的猕猴,该突变与赖特氏综合征(神经发育障碍)有关。

  CRISPR动物园正在迅速扩大当前如何驾驶前进道路的问题。波威尔说,这个领域可能会面临与前几代转基因植物和动物研究相同的公众反对意见。为了避免这种情况,科学家需要充分沟通他们工作的好处。 (宗华)

  中国科技报(2016-03-21第3版国际)

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  自然报告(英文)