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基因驱动(gene drive)研究最新进展

来源:本站原创 2017-10-15 23:30

2017年10月15日/生物谷BIOON/---近年来,“基因驱动”成为生物学界的新兴热门研究领域之一,它指的是特定基因有偏向性地遗传给下一代的一种自然现象。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。借助被誉为“基因剪刀”的CRISPR基因编辑技术,科学家研发出人工“基因驱动”系统,并在酵母、果蝇和蚊子中证实可实现外部引入的基因多代遗传

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。

基于此,小编针对基因驱动研究取得的进展以及引起的争论,进行一番盘点,以飨读者。

1.Nat Rev Genet:人工改造的基因驱动系统操纵野生种群命运
doi:10.1038/nrg.2015.34


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。

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。

2.Nat Biotechnol:提出解决CRISPR基因驱动问题的方法
doi:10.1038/nbt.3412

在一项新的研究中,美国哈佛医学院遗传学教授George Church和哈佛医学院生物工程师Kevin Esvelt博士领导的一个研究团队提出了利用基因驱动开展研究实验的几个有效而又安全的保障机制并且提供首个逆转基因驱动扩散导致的改变的方法。

他们通过让分开向导RNA和Cas9,使得它们不在同一个生物体内共同表达,或者插入一个人工序列到靶基因中,这样基因驱动仅在实验室的有机体中被激活,因此无法在野外发挥作用。

他们还在酵母中证实能够逆转基因驱动给有机体群体施加的一种性状。

3.基因驱动技术或可被恐怖分子利用研制生物武器
新闻来源:'Gene drive': Scientists sound alarm over supercharged GM organisms which could spread in the wild and cause environmental disasters

据国外媒体报道,一种被称为“基因驱动”的基因技术近期引起了科学家们的担忧。“基因驱动”技术可以令两只昆虫交配时产生基因突变,形成的“超动力基因”可遗传至下一代。科学家警告称,这一技术如果被恐怖分子利用,就可能生产出传播致命疾病的“基因修正”昆虫,从而导致一场史无前例的环境灾难。

以色列特拉维夫大学遗传学家大卫-古尔维兹介绍说,“基因驱动”技术可以令两只昆虫交配时产生基因突变,而且极有可能将这种突变基因遗传至下一代。研究人员将这一技术比作“无法停止的核链式反应”,因为基因经修改后遗传至后代,而不管是否会对后代有害。

理论上来说,如果“基因驱动”技术被合法利用,可用于消灭经蚊子传播的疾病,如疟疾、黄热病等。但是,如果被某些人恶意利用,则经基因修改后的昆虫可用来大规律传播致命疾病。古尔维兹解释说,“正如‘基因驱动’技术可以让蚊子不再携带和传播疟疾一样,该技术也可以用来修改蚊子基因,让蚊子携带致命细菌或病毒,并传染给人类。”

近日,27位著名遗传学家在《科学》杂志上发表文章呼吁,科学界应向普通民众澄清“基因驱动”技术的利与弊,向人们解释该技术可能会带来灾难。科学家们表示,“它们的隐患极大,可能给人类健康、农业生产以及环境保护带来全球性灾难。”

古尔维兹认为,“基因驱动”技术的具体使用方法应该严格保密,和核武器技术一样。但是,美国哈佛大学遗传学家凯文-埃斯维尔特及其他26位科学家并不认同古尔维兹的说法,他们声称,完全公开和透明是防止“基因驱动”技术被用来制造生物武器的最佳方法。科学家们呼吁,应制定一系列安全规程,要保证被基因修正的物种不得逃散至野生种群中,比如开展相关实验只能在没有相关野生种群的区域进行。

4.Science:科学家称基因灭虫技术前景喜人却面临困境
doi:10.1126/science.aad6143


如果这种方法起作用,并通过监管和伦理审批,那么“基因驱动”可能是一种清除携带疟疾蚊虫的新方法。这个想法听起来简单诱人:通过在一群动物中间迅速散布一种基因,可以阻止其传播疾病,或者直接杀死如农业害虫等物种。但美国国家科学院、工程院和医学院(NAS)近日在华盛顿特区主办的一次研讨会上明确表示,这种概念的核心,即基因驱动技术当前仍然面临各种科学和监管上的不确定性。因此,基因驱动技术的产业应用依然“任重而道远”,英国伦敦帝国学院人类遗传学家Austin Burt说。

NAS组织了一个委员会评估这一技术,该委员会组织了4次关于基因驱动研究的科学、伦理和监管信息研讨会,此次在华盛顿举行的会议为其中的第二次。援救人员讨论了现有监管和伦理框架是否足以指导和管制基因驱动技术的发展,会议报告称,目前仍须了解更多关于基因驱动技术的生态效应、基因驱动目标的具体性以及研究人员在某个种群之间进行基因改变的有效性。“很明显,关于这个系统,我们知道的是如此之少。”弗吉尼亚理工学院暨州立大学分子遗传学家Zach Adelman说。但Burt表示,考虑到目前基因驱动技术仍处于早期研究阶段,因此NAS有充分的时间就这个问题理清头绪。

5.PNAS:用于疟蚊控制的基因驱动
doi:10.1073/pnas.1521077112


在一项新的研究中,来自美国加州大学欧文分校的研究人员开发出一种基于CRISPR/Cas9的基因驱动系统原型,用于对蚊子基因改造,以便抵抗疟原虫产生的耐药性。

具体而言,他们构建出一种基于CRISPR/Cas9的基因驱动系统,该系统能够将一种抗疟原虫基因导入到蚊子中,并加以扩散。在一项以斯氏按蚊(Anopheles stephensi)为研究对象的概念验证中,他们证实这种经过改造的基因驱动系统能够在蚊子中传播一种双重抗疟原虫效应基因。这种基因靶向恶性疟原虫在感染阶段产生的两种关键蛋白,并且一个高度特异性的基因转换时间中,它在雄性和雌性蚊子谱系中扩散。

6.首次在哺乳动物中实现“基因驱动”,可用于清除物种入侵

一些与美国保护组织合作的科学家声称,他们首次成功地在哺乳动物中建立了一种被称作“基因驱动”的技术,并且可以利用它来消灭在岛上抢夺海鸟生存空间的侵入性啮齿动物。

目前有分别来自澳大利亚和德克萨斯州的两个科学团队表示,他们对家鼠进行了基因编辑,使其基因组包含了野生种群的一些基因特征。这些改良的啮齿类动物在最近两个月才出生,因此还未有实验结果。

另外,在哺乳动物身上建立基因驱动模型还得益于一个“保护岛屿”行动的支持和努力。这是一个来自加州圣克鲁兹的保护组织,他们的座右铭是“防止灭绝”,并专长于在岛中广撒杀鼠剂来拯救濒危海鸟。

但是杀鼠剂不能在大型或人口稠密的岛屿上用来杀灭啮齿类动物,这也是基因驱动技术被该组织看好的原因。“我们正在寻找一些真正有创造性的方法”,该项目主任卡尔·坎贝尔说。如果当局允许该项目计划的话,每年则可拨出约700万美元,让他们能够在一个偏远的岛屿上进行初步试验,以加快技术开发进程。

7.Science:生物界“新宠”基因驱动,消除疟疾的“利器”
doi:10.1126/science.aal0797


作为一种可以修饰DNA遗传的方法,“基因驱动”可以使蚊子的遗传物质发生改变,最后甚至导致其数量骤减。科学家正在使用该方法来降低疟疾传播率,以保护非洲儿童免受疟疾侵袭

。 如果我们知道决定疟蚊关键性特征的基因或基因变异,如与原虫转阴及产卵等特性相关的基因,从理论上来说就可以将某些基因修改引入蚊子种群来降低疟疾传播率。目前,研究人员已对多个种类的疟蚊进行了基因组测序,包括那些几乎造成了非洲所有地方疟疾传播的疟蚊。他们希望通过基因改造整个蚊子种群来保护非洲儿童免受疟疾侵袭。

近日,来自亚利桑那州大学(Arizona State University)的进化生态学家詹姆斯·科林斯(James Collins)在美国科学促进会年度会议(AAAS)上关于“基因驱动”消除疟疾的专访被Science刊发。

基于基因组编辑技术CRISPR的进步,“基因驱动”在抗寄生虫领域也得到了重要运用。但如美国科学、工程、医学院( National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine )去年所言:由于对整个人口的遗传信息的改造可能产生的意想不到的后果,因此其在释放到任何环境中时都应该采取广泛的测试。

8.Science:防范与管理新兴技术
doi:10.1126/science.aah5125


在一项新的研究中,美国海斯汀中心(The Hastings Center)研究学者Gregory Kaebnick作出结论,鉴于管理新兴技术需要对技术的使用进行限制,这是因为这些技术的潜在伤害和其他后果是高度不确定性的,在管理新兴技术时采取的防范方法经常被批评为反映“风险恐慌”,但是防范能够与对科学的支持是相一致的。相关研究结果发表在2016年11月11日那期Science期刊上,论文标题为“Precaution and governance of emerging technologies”。

这篇论文讨论了在基因驱动(gene drive)的情形下,采取防范方法的益处,其中基因驱动有望解决根除蚊媒传染病和保护濒危物种等长期存在的问题但也会冒着伤害整个生态系统风险的技术。Kaebnick是美国国家科学、工程与医学研究院(U.S. National Academies of Science, Engineering, and Medicine, NASEM)基因驱动委员会的成员。该委员会在去年夏天发布一篇推荐采取防范方法的报告。他的论文共同作者是这个委员会的一些成员和员工。

这篇论文详细叙述NASEM这篇报告提出的建议。不是对所有关于基因驱动的研究采取防范方法---比如暂停所有这方面的研究直到严格的全球监管措施被执行,这篇报告号召采取“针对性的但有意义的措施”。这样的措施会鉴定出特定的易于控制的担忧,比如基因驱动能够对有机体的基因组产生不想要的影响,一种基因驱动修饰的有机体能够对一种生态系统产生不想要的影响,而且对什么是“不想要的”影响可能在不同人之间差异较大。

9.Science:在实验室中开展基因驱动实验应谨慎
doi:10.1126/science.aac7932

图片来自Caroline Davis2010/Flickr。

近期,来自美国、英国和日本的研究人员探讨了开发基于CRISPR的基因驱动系统,并指出在实验室中开展这种基因驱动实验时,应当慎之又慎。相关探讨结果发表在Science期刊上,标题为“Safeguarding gene drive experiments in the laboratory”。

Valentino Gantz和Ethan Bier之前利用CRISPR/Cas9基因编辑系统的优势,开展基因驱动实验:他们开发出一种被称作突变链式反应(Mutagenic Chain Reaction, MCR)的系统。利用MCR系统,他们可将一种杂种突变转化为一种纯合突变。他们已在果蝇体内证实了MCR系统的有效性:在97%的情形下,它可将携带的突变导入到染色体的靶位点上。

虽然这些研究人员采用严格的屏蔽方法和额外的预防措施,但是一些科学家仍然认为在未来,在实验室中操纵基于CRISPR的实验,应当尤为谨慎。

最后,这些研究人员建议,在基因组上开展基因驱动实验在实际应用时多采用替代方法,从而降低带来的风险。(生物谷 Bioon.com)

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