Nature:超火爆CRISPR技术,这还只是开始!

日期: 2016年03月14日


    

近日,《自然》有三篇文章对CRISPR技术进行了讨论,足见这一技术所受重视的程度之高。虽然2015年没有获得诺贝尔奖,但2016年仍是大热门。

 
CRISPR现在已不是单纯技术问题,甚至影响到政策制定和伦理学领域,也给整个生物医学界提供了一种简单经济革命性的技术。民间生物学研究也开始利用这种技术走到台前,预计一些DIY的CRISPR技术爱好者不久就会在学术期刊和会议上报告他们的研究结果,让生物学学术研究从过去的小众变成大众科学研究娱乐。这些属于颠覆性概念和改变,都是因为出现了CRISPR技术

 

 

澳大利亚联邦科学与工业研究组织(CSIRO)分子生物学家Timothy Doran教授11岁的女儿对鸡蛋过敏,世界范围内大约2%的儿童对鸡蛋过敏,这些患者无法接种用鸡蛋培养的疫苗。作为生物学教授的Doran设想,使用强大的基因编辑工具CRISPR/Cas9应该可以解决这个问题。

 

 

大多数鸡蛋过敏原是蛋白中的4种蛋白质,Doran的同事曾经用细菌编码其中一个经过突变的蛋白质,这种蛋白质不再与鸡蛋过敏患者血清发生反应,说明只要将这些蛋白质结构进行修改,完全有可能让鸡蛋过敏患者吃鸡蛋,接种用鸡胚制造的疫苗。整体思路是用CRISPR对鸡的这四种蛋白基因进行修改,这些鸡可生无过敏原的鸡蛋。

Doran小组希望2016年拿出第一代经过基因修改的鸡,证明这种思路的概念可行性。Doran清楚使用这种经过修改基因的鸡必须经过监管部门的授权,但他希望女儿能有机会从中受益。

 
受到劳动力和效率的限制,过去科学家只对少数经过精心选择的物种进行基因改造。 CRISPR技术让这一局限性彻底改变,因为这种技术不仅效率高,而且简单易行。鸡只是CRISPR动物园中的一个成员。只过去2年内,基因修改的猴、猛犸象、蚊子、宠物猪等动物纷纷成为科学新闻头条,科学家利用这一技术用于农业、药物生产和复活灭绝生物等。这不仅是技术的革命,而且会成为科学范式的转换。英国爱丁堡罗斯林研究所动物生物技术专家Bruce Whitelaw说,许多想法过去根本不敢去想,整个生物医学界都把眼光转移到基因编辑领域。


考虑到这些新物种可能影响到生态系统,世界各国监管机构还没有对这些新生物的理想的应对办法,尤其是对哪些能作为食物或可放生到野外的物种。美国智库主任都对此表示担忧,说这种简单经济高效的基因编辑技术可能带来不确定风险,难以避免某些人制造有害物种。华盛顿生物技术监管政策专家Eleonore Pauwels说,使用CRISPR动物的问题促使科学家和政策制定者公开对话,她希望这种讨论能帮助确定那类CRISPR能对人类、其他物种和科学有好处,提出必须限制这种技术的滥用。

 
提高抗病性CRISPR在农业领域最容易考虑到的应用,科学家通过对动物基因进行修改,提高这些动物的抗病能力,从而减少药物使用。旧金山生物技术企业主Brian Gillis就希望用基因修改技术改造蜜蜂,避免因为患病和寄生虫感染造成的蜜蜂大量死亡。

 
Gillis正在研究“卫生蜂”的基因组,这种蜜蜂痴迷地清洁蜂巢和清除生病和被感染蜜蜂的幼虫。有这些蜜蜂的蜂巢不容易受到螨、真菌等病原体的威胁。如果能确定产生这些行为的基因,就可以给其他蜜蜂种群转入这种基因,提高它们的抗病能力。

 
Boxmeer蜜蜂研究组织主席BartJanFernhou是研究蜜蜂抗螨能力的学者,他认为这种策略很难实现,因为没有发现这种行为的特定基因,导致这些行为的根源比较复杂。即使存在这种基因,利用传统的育种技术也能实现目标,没有必要采用这种高风险的转基因策略。

 

 

尽管存在这种担忧,但似乎没有影响研究转基因抗病性的速度。罗斯林怀特劳研究所等小组就利用CRISPR技术给猪转入抗病毒基因,这种技术预计将给养猪业带来丰厚的利润。怀特劳研究所也在用另外的基因编辑技术修改免疫相关基因,提高家猪抵抗非洲猪瘟的能力。

 
哥伦比亚密苏里大学Randall Prather对猪的一种细胞表面蛋白进行了突变,使这种猪不容易感染一种严重的致死呼吸道病毒。也有科学家利用类似策略改造牛提高抗锥虫感染预防昏睡病的能力。

 
怀特劳研究所希望监管机构和消费者能对这些转基因动物有更乐观的态度。一些政府也考虑是否有必要用管理转基因技术的方法对待CRISPR技术,后者并没有转入其他基因,只是对物种自身基因进行改造。

 
Doran的计划是对引起过敏的蛋白质进行改造,这种改造必须尽量控制在一定限度,必须避免影响鸡的胚胎发育过程。这正是CRISPR技术的特点,能精准对目标基因序列进行编辑。CSIRO分子生物学家MarkTizard说,CRISPR已经成为精准破坏过敏原的救世主saviour。

 
将CRISPR用于哺乳动物的一般程序是,用药物诱导产生卵子,将卵子取出编辑,受精后移植到子宫。将CRISPR用于鸟类仍存在问题,受精卵与蛋黄结合紧密,取出受精卵会破坏胚胎。没有受精的鸡卵子难以取出,CRISPR不能直接注射到鸡卵。一旦鸡蛋被产出,发育过程已经开始,进行精确基因编辑就十分困难。

 
Tizard和Doran准备从原始生殖细胞(PGCs)着手,这种细胞能变成精子或卵子,鸡的PGCs可以在发育过程中进入血液循环,这样给科学家提供了采集鸡的PGCs的简单途径,在实验室内对这些细胞进行基因编辑,然后让它们发育成熟。CSIRO小组已经建立了一种将CRISPR元件直接注射到血液中编辑PGCs的技术。

 
科学家也计划用CRISPR技术对鸡的全基因组进行改造,这种鸡有一个专用名字CRISPi鸡,这种动物可被用于简单地大量制造目的蛋白药物。监管机构也对这种药物制造方法认可,2006年欧盟授权用羊奶制造一种抗凝血蛋白,2009年也获得美国FDA授权。2015年欧盟和美国FDA授权用转基因鸡蛋制造的抗胆固醇药物上市。

 
这个计划听起来非常疯狂,但是将大象变得更接近猛犸象的努力一直在进行。去年芝加哥大学遗传学家Vincent Lynch研究发现猛犸象细胞存在一种负责耐低温和生长毛发的基因版本。有类似基因版本的小鼠也能提高耐低温能力。Church说,他已经对大象胚胎内14个类似基因进行了编辑。但编辑、生育和饲养耐低温类猛犸象不是那么简单,将这种胚胎移植给濒危大象体内不符合伦理学原则。他们实验室正在计划制作人工子宫,进行全程人工培育。

 
也有一些想对容易的复活灭绝物种技术,加州大学圣克鲁斯分校Ben Novak希望复活一种候鸽。这种在19世纪末随处可见的鸽子因为人类的过度捕猎而灭绝。他的小组目前正在用博物馆标本鸽子DNA与现存鸽子进行序列比对。计划使用类似Doran小组的PGC细胞方法,对其他鸽子进行基因改造,使这些鸽子变得更接近灭绝的候鸽。

 
Novak说现在的技术还无法对鸽子进行数百个基因进行同时修改的能力。但是CRISPR给了他们最理想的选择,希望能实现他这一复活灭绝鸽子的众生梦想。

 
另外,用CRISPR进行生育控制达到灭绝蚊子的目的,提高鱼类生长速度和抗低温能力的应用,基因改造将宠物动物进行迷你化的尝试,利用这种技术制造各种疾病模型等应用,都分别有学者进行。

 
总之,利用CRISPR技术改造基因的动物植物数量越来越多,增加速度越来越快。

 

备注:原文出自科学网/孙学军博客,赛业生物编辑整理。

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