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Nat Rev Genet:人工改造的基因驱动系统操纵野生种群命运

来源:生物谷 2016-02-22 10:20

2016年2月22日/生物谷BIOON/--基因驱动(gene drive),最早在2003年由伦敦帝国理工学院进化遗传学家Austin Burt提出,是一个能够快速将特定性状扩散到群体中去的系统。一般来说物种中都会存在这样一些基因,它们在繁殖的过程被遗传的概率比普通基因高出50%。因此,这些基因就可以很容易在群体中散播,即使它们可能导致个体的适应性下降。借由与这些特殊基因类似的遗传“偏向性”,基因驱动在理论上可将这些人为改造的基因散播到野生群体中。而这些改造可以包括基因的增添、破坏或者修饰,也可以包括减少个体的生育能力从而可能导致整个物种的毁灭。
 
人工改造的基因驱动有潜力将所需的基因在野生种群(wild population)中扩散,或者抑制有害的生物物种。因有潜力控制诸如携带寨卡病毒(Zika virus)、疟原虫和登革热病毒的蚊子之类的有机体,它最近获得了人们的大量关注。

与此同时,最近几年发现的CRISPR基因编辑技术有潜力构建、简化和改进针对基因驱动的开发。

在一篇高度创新性和技术性的综述文章,美国加州大学河滨分校昆虫学助理教授Omar Akbari说,“尽管基因驱动存在所有的潜在益处,它们仍然未获得充分研究。考虑到这一点以及技术进步产生得如此之快,我们想退一步考虑,从一个更宽广的角度看看到底发生了什么。”

Akbari是加州大学河滨分校病媒研究中心和整合基因组生物学研究所的一名研究员,也是这篇发表在Nature Review Genetics期刊上标题为“Cheating evolution: engineering gene drives to manipulate the fate of wild populations”的文章的通信作者。这篇文章的其他作者还有Jackson Champer和Anna Buchman,这两位都是与Akbari一起工作的博士后。

对有机体的基因进行编辑从而解决与公众和环境健康相关的观点已经流行了几十年。事实上,这篇文章的作者们引用了1940年的一篇论文和上个世纪六十年代后期的其他论文来讨论这个观点。

尽管基因驱动的广泛适用性和重要性,但是在过去几十年的时间内,它们只取得适度的发展。能够在野生种群中发挥作用的基因驱动也只仅在包括酵母、果蝇和两种蚊子在内的一些有机体中构建出。

这部分是由于对有机体基因组进行人工改造的困难性。然而,最近的技术进步已提供了能够对多种物种的基因组进行编辑的工具。这些工具当中最有希望的就是CRISPR。

结合基因驱动和一种诸如CRISPR之类的工具可能能够让人们开发出新的策略以便以一种经济上可行的和环境无害的方式减少或消除虫媒疾病、除去侵入的外来物种,甚至逆转对杀虫剂和除草剂产生的抗药性。

在这篇文章中,作者们着重关注了几种类型的基因驱动,包括基于归巢内切酶的基因驱动、性连锁减数分裂驱动、medea 基因驱动和显性不足基因驱动。他们从不同的属性上描述了这些基因驱动,包括扩散速率、物种特异性、适合度代价(fitness cost)、抵抗易感性、可移除性和可逆性。

他们还讨论了这些基因驱动是否归于修饰驱动(modification drive)类型或抑制驱动(suppression drive)类型,其中修饰驱动旨在将目标性状在群体之间进行扩散,而抑制驱动具有降低目标物种群体的效果。

最后,作者们提出安全和监管问题。他们提出与基因驱动相关的威胁,包括导致靶物种灭绝、扩散到目标地理区域之外的地方和影响另外一种物种的潜力,以及导致经济损失甚至生物恐怖主义的潜在滥用。

作者们写道,美国国家科学院最近召集了一个小组,讨论基因驱动的潜在危害和监管,并且对它们的安全使用提出建议。他们说,还没有特别针对基因驱动的法律,它们的使用应当需要获得当地立法机构的同意。他们随后补充道,“完全透明和让公众早些知情将是基因驱动获批使用的关键。”(生物谷 Bioon.com)

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doi:10.1038/nrg.2015.34

Cheating evolution: engineering gene drives to manipulate the fate of wild populations

Jackson Champer, Anna Buchman & Omar S. Akbari

Engineered gene drives — the process of stimulating the biased inheritance of specific genes — have the potential to enable the spread of desirable genes throughout wild populations or to suppress harmful species, and may be particularly useful for the control of vector-borne diseases such as malaria. Although several types of selfish genetic elements exist in nature, few have been successfully engineered in the laboratory thus far. With the discovery of RNA-guided CRISPR–Cas9 (clustered regularly interspaced short palindromic repeats–CRISPR-associated 9) nucleases, which can be utilized to create, streamline and improve synthetic gene drives, this is rapidly changing. Here, we discuss the different types of engineered gene drives and their potential applications, as well as current policies regarding the safety and regulation of gene drives for the manipulation of wild populations.

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