CRISPR / Cas9用于控制小鼠的遗传继承

加州大学圣地亚哥分校的生物学家开发出世界上第一个基于CRISPR / Cas9的方法来控制哺乳动物的遗传继承。

世界各地的科学家一直在各种植物和动物物种中使用CRISPR / Cas9来编辑遗传信息。编辑基因组的一种方法可以控制基因的两个拷贝中的哪一个传递给下一代。尽管近年来已经在昆虫中开发了这种“活性遗传学”方法，但在哺乳动物中创造这样的工具更具挑战性，并且由于世代之间的时间更长，测试它们需要更长的时间。

1月23日在加州大学圣地亚哥分校的研究人员联合研究小组发表了一篇关于老鼠的新活性遗传技术的自然杂志。加州大学圣地亚哥分校的研究生Hannah Grunwald，助理研究员Valentino Gantz及其同事在金伯利·库珀助理教授的带领下，为基于这项技术的进一步发展奠定了基础，包括人类疾病的生物医学研究。

“我们的动机是将其作为实验室研究人员控制小鼠多基因遗传的工具，”Cooper说。“随着进一步的发展，我们认为有可能制造复杂的人类遗传疾病的动物模型，如关节炎和癌症，目前还不可能。”

为了证明小鼠的可行性，研究人员将一种活跃的遗传“CopyCat”DNA元件设计成控制毛皮颜色的酪氨酸酶基因。当CopyCat元素在鼠标中破坏基因的两个拷贝时，本来是黑色的毛皮是白色的，这是他们方法成功的明显读数。CopyCat元素的设计也使得它不能单独通过群体传播，与昆虫中的CRISPR / Cas9“基因驱动”系统相比，这些系统建立在类似的潜在分子机制之上。

在为期两年的项目期间，研究人员使用各种策略确定CopyCat元件可以从一条染色体复制到另一条染色体，以修复CRISPR / Cas9靶向DNA的断裂。结果，最初仅存在于两条染色体之一上的元素被复制到另一条染色体上。在其中一个家庭中，多达86%的后代从母本继承了CopyCat元素而不是通常的50%。

这种新方法在产卵过程中对雌性小鼠有效，但在雄性精子产生过程中则不然。这可能是由于雄性和雌性减数分裂的时间不同，这一过程通常将染色体配对以改组基因组，并可能有助于这种工程化的复制事件。

根据加州大学圣地亚哥分校的研究合作者Ethan Bier教授的研究结果，“为合成生物学的各种应用开辟了道路，包括用于研究不同生物过程的复杂遗传系统的模块化组装。”

Cooper和她的实验室成员现在正在开展第一次哺乳动物活跃的遗传成功 - 基于单个基因 - 并尝试将该工具扩展到多个基因和特征。

“我们已经证明我们可以将一个基因型从杂合子转换成纯合子。现在我们想看看我们是否可以有效地控制动物中三个基因的遗传。如果可以同时对多个基因实施，它可以彻底改变小鼠遗传学，“库珀说。

虽然新技术是为实验室研究而开发的，但有些人设想未来的基因驱动将在野外建立这种方法，以恢复生态系统中包括啮齿动物在内的入侵物种的自然生物多样性的平衡。

“通过进一步的改进，应该有可能开发基因驱动技术，以修改或可能减少哺乳动物种群，这些种群是疾病的载体或对本地物种造成损害，”比尔说。

但是，这些数据还表明，野外实际使用所需的技术改进需要时间仔细考虑这项新技术的哪些应用可以而且应该实施。然而，研究人员指出，他们的研究结果证明了一项重大进展，可能已经减少了推进人类疾病生物医学研究和了解其他类型复杂遗传特征所需的动物的时间，成本和数量。

“我们也有兴趣了解进化机制，”库珀说。“对于已经进化了数千万年的某些特征，遗传变化的数量大于我们目前在小鼠中组装的数量，以了解导致蝙蝠手指长成翅膀的原因。所以我们想要制造大量的这些积极的遗传工具，以了解哺乳动物多样性的起源。“

前加州大学圣地亚哥分校博士后研究员Gunnar Poplawski(现为新加坡国立大学的共同第一作者)和员工研究助理徐向茹也为这项研究做出了贡献。

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