一种基于CRISPR，更安全的基因驱动“黑客”系统

时间：2023年1月19日

来源：Nature Communications

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研究人员开发了一种新的系统，用于开发从人类健康到全球食品供应等领域的基因驱动。新的“黑客”系统将分裂的基因驱动转换为完整的驱动，为在一系列应用中安全地进行基因驱动实验提供了新的灵活性。

Fluorescent Flies — **荧光果蝇:表达红色眼睛和绿色身体荧光标记的果蝇证明了一种新系统的可行性，可以安全地将分裂的基因驱动转换为完整的基因驱动。**
来源:加州大学圣地亚哥分校比尔实验室

科学家们继续拓展CRISPR的技术前沿，以及它的巨大潜力，涉及从人类健康到全球食品供应等领域。基于CRISPR的基因驱动就是这种情况，这是一种基因编辑工具，旨在影响遗传元素如何从一代传递到下一代。

为蚊子设计的基因驱动有可能遏制疟疾感染的传播，疟疾感染每年导致数十万人死亡，但由于这种驱动可以迅速传播并主导整个种群，因此安全性问题也随之提出。科学家们通过测试构成驱动装置的许多不同成分的组合，探索了基因驱动元件在目标人群(如蚊子)中传播的原理。然而，他们发现还有更多需要探索的地方，关键问题仍然存在。

在《自然通讯》杂志上，加州大学圣地亚哥分校的研究人员由前博士后学者Gerard Terradas、博士后学者Zhiqian Li和Ethan Bier教授领导，与加州大学伯克利分校研究生Jared Bennett和副教授John Marshall密切合作，描述了一种在实验室中测试和开发基因驱动的新系统的开发，并将其安全地转化为潜在的现实应用工具。

Bier说:“这些研究既赋予了基因驱动系统的新工程能力，又提供了关于如何评估和分析它们最重要的运动部件之间的关键相互作用的重要信息。”

基于CRISPR的基因驱动以一种称为Cas9核酸内切酶的蛋白质和一种引导RNA分子为特征，它们联合起来将DNA切割引导到基因组中的特定位置，在那里可以插入新的遗传元素。当DNA修复这些切口时，新的遗传元素从一条染色体复制到另一条染色体，导致后代的遗传比例超过了标准的50% ，而是倾向于新插入的遗传元素。

基因驱动有两种“口味”。全基因驱动(fGDs)在一个链接的单一包中携带Cas9和引导RNA成分。相比之下，分裂驱动器(sGDs)由两个遗传元件组成，分别携带Cas9和引导RNA成分，并插入到基因组的不同位置。sGD被认为比fGD更安全，因为它可以单独控制和测试每个元素所携带的成分，或者在它们逐渐放大gRNA成分频率的条件下。研究人员设计了这两个元素，最终重新连接，以传递完整的基因驱动的效果。

在根除疟疾的情况下，全基因驱动已经引起了相当大的热情，因为它们有可能作为载体转移元素，阻止引起感染的疟疾寄生虫的传播。但fGD也引起了人们的关注，因为它们有可能迅速传播，并可能改变整个蚊子种群的基因组成。试验fGD需要高度安全的屏障和限制，以防止携带这种驱动器的昆虫意外逃逸到开放环境中。

这不是分裂基因驱动的情况。由于关键元素是分开的，sGD无意传播的风险要小得多，研究人员对它们的安全操作有更多的控制。sGD的实验可以在传统的实验室设备中进行，因此可以更灵活地测试其潜力。

然而，科学家们在开发有效地将sGD转换为功能全面的fGD的系统方面遇到了挑战。目前将sGD系统转换为fGD所面临的一个挑战是，它们依赖于两个独立的遗传组件，每一个都必须表现出有效的驱动特性。

现在，加州大学圣地亚哥分校的科学家们最近开创了基因驱动开发和相关技术，他们创造了一种灵活的基因“黑客”系统，用于将sGD转换为fGD。在果蝇中，研究人员开发了一种新的遗传策略，采用由sGD的Cas9部分携带的特殊设计的引导RNA。这种黑客工具切断了sGD的复制部分，并触发了基因交换，或“重组事件”，将Cas9插入到携带引导RNA的元素中，从而产生一个功能完整的fGD。

“首先，也是最重要的是，这项研究为将sGD敏捷遗传转化为fGD提供了原理证明，这将极大地帮助测试和开发新的优化基因驱动系统，”论文第一作者Terradas说。

一旦研究人员开发出新的sGD- fGD黑客系统，一些令人惊讶的结果开始出现。正如预期的那样，在笼子实验中，新被破解的fGD在果蝇种群中传播。然而，它的传播速度出乎意料地慢于模型对传统烟气脱硫的预测。

研究合作者班尼特和马歇尔开发了一个数学模型，提供了解释。他们的模型显示，在黑客转换过程中，fGD对单个果蝇的适应度成本比单独的sGD更高。当驱动元件复制自身时，这种适应度成本在作用于种群中所有潜在的目标染色体后消失。

“这项研究揭示了基因驱动组件如何协同工作的意想不到的复杂性，揭示了人们不能简单地假设单独的组件在组合在一起时如何相互作用。”