科学家制造出能传染的基因

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科学家制造出能传染的基因- y$ p  A) T7 |, c  w2 `: J* B& d
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2015-03-20中国生物技术信息网
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6 J- U' f* Z9 D4 u+ E- i　　我们知道，疟疾通过蚊子叮咬患者传播，因为疟疾这种寄生在人血液红细胞内的寄生虫，在蚊子体内能存活，给这种疾病传播带来了机会。如果能让蚊子携带一种对抗疟疾的基因，使疟疾原虫无法在蚊子体内生存，这或许是一种比较环保的方法，但是一个困难是如何让这种基因在野外传播，因为你不可能获得比较高的传播效率，你不可能将所有的蚊子进行改造。更为尴尬的是，根据遗传学规则，某一基因在传代过程中会迅速被稀释，一个父母的基因传递到子女只有1/4的几率。理论上可以让父母的所有等位基因全部进行改造，或者让蚊子成为绝对纯种的，这样所有后代都携带他们的这种基因，这样能保证万无一失地将基因武器传播出去。实现这一目的的技术在过去难以想象，现在有了CRISPR这个基因编辑神器，让科学家几乎能随心所欲地编辑目的基因。更不可思议的是，这种编辑后基因会发生高水平转移，即使和正常蚊子交配，产生的后代依然是纯种的，这似乎完全不可能的现象竟然会出现，这也许要改变人们传统的遗传学概念。今天发表在《科学》杂志上的一项研究，就是给大家这么地形象地表演了一个如何编辑基因的好戏。
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　　2014年12月28日，加州大学圣地亚哥分校教授Valentino Gantz 和他的博士生Ethan Bier在实验室检查他们的果蝇，他们的果蝇患有一种色素沉着障碍，这是一种X连锁隐性遗传性白化病。根据经典的孟德尔遗传学规则，如果妈妈的X染色体存在基因突变，子女中大约1/4的比例存在这种突变。奇怪的是，这些果蝇的后代并没有发生任何白化病，只出现一种淡黄色的苍蝇。Bier说，“我们都惊呆了，简直是太阳从西边升起一样！”。0 B+ u/ d, E' D: w; h# A

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  R$ r3 M5 v' t% q' Q5 Y+ ?　　他们继续确认了这种现象，3天后将文章投稿给《科学》，本周《科学》在线发表了他们的研究结果。Gantz和Bier的研究发现，如果将一个果蝇色素基因的两个正常拷贝全部进行突变（mutation disabled both不知如何翻译），可在下一代获得97%遗传效率，这几乎是一种彻底的基因操作。产生这种高成功率的秘密是，他们使用了一种当今正流行的基因编辑工具CRISPR。这是遗传学领域的技术革新，能让一种性状在一个群体，甚至整个物种内迅速扩散。例如，一只蚊子获得一种能对抗疟疾的基因，理论上在一个季节就能彻底控制疟疾的流行（示意图）。
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( {' j: L) S% R+ ~, F　　最近有学者提出限制对人类胚胎进行基因改造，文章发表正巧是在这个档口发表，有火上浇油的味道。哈佛大学医学院遗传学家George Church是这个领域的领袖之一，他认为这一研究步子太快了，应该限制其发表，因为没有提供限制突变基因无限制扩散的手段。
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* V2 V# w0 j, u  }  e! {0 l　　制造这种不可思议的基因扩散系统并不是Gantz的初衷。Bier说他们开始只是试图解决一个技术问题。Gantz正研究果蝇翅静脉的发育，为此他需要进行多基因突变。这种研究比较繁琐，许多大量的培养果蝇才能筛选出一个符合条件多基因突变的变种。去年夏天，Gantz选择了CRISPR系统，该系统利用细菌蛋白Cas9，通过一段RNA发现目标基因序列，然后进行删除更换，或者对目标DNA序列进行编辑。Gantz希望制造一种能自我催化的突变。一旦这种目的实现，该基因能制造出一个新的CRISPR系统，然后对其目标基因进行编辑。个人理解是他们的工具是让动物基因组内获得CRISPR系统，制造出能遗传的自身编辑系统。显然这是一种能传染的基因，能将目标基因修改成为突变基因的方法。这听上去有一些恐怖。" a$ ~) u' F! V7 N4 T) c. S
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　　经过和加州大学进行讨论，大学给他们开了绿灯，但需要考虑到生物安全性，所有果蝇都必须用三层玻璃管和盒子保存，实验室有5道门和指纹识别系统。6 q: `; h; y# T- p5 e. m  f

! }% ]" Z6 ]: L1 |9 p0 Q　　Gantz和Bier知道，他们已经实现了制造出双突变这个第一目标。2014年12月18日，当通过胚胎注射进行CRISPR编辑后，他们成功地对果蝇X染色体上色素基因进行了双突变，获得了黄色雌果蝇。但他们希望知道这种工程基因能否对后代的目标基因进行编辑。12月28日的结果确认了这种能力。其转化效率可达到97%。加州大学欧文分校遗传学家Anthony James认为这个技术实在是神奇。20年前，他们的实验室利用异常繁琐的技术制造出第一个转基因蚊子。现在Bier 和James已经开始合作制造携带有能阻断疟疾传播的蚊子。他们预期今年底能完成这一研究。
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　　在这场基因编辑的竞赛中，他们并不是唯一的团队。Church小组也在使用CRISPR对酵母进行编辑。他们将建立一种精确的控制系统，以避免这一方法的失控。例如他们将Cas9基因和目标基因放在不同系统内。Gantz和 Bier的方法没有这种安全措施，Church认为是技术上的缺陷，这非常不合适。- r7 x* G7 I  w) w1 |; Y! F! O

1 \) j8 x* c% v- [( n4 |　　Bier不同意Church的批评，他认为Church的酵母安全措施不适合用于果蝇系统内。他们对安全性早就经过深思熟虑。（作者：孙学军 来源：科学网）. K  J3 M+ z7 E- A