基因编辑工具CRISPR“动物园”欢迎你

资料来源:瑞安·史努克

蒂莫西·多兰11岁的女儿对鸡蛋过敏。全世界约有2%的儿童患有这种疾病。像他们一样，多兰的女儿不能接受许多常规疫苗接种，因为它们是由鸡蛋制成的。

澳大利亚联邦科学与工业研究组织(CSIRO)的分子生物学家多兰认为，他可以通过CRISPR-Cas9这个强大的基因编辑工具来解决这个问题。大多数鸡蛋过敏是由蛋清中的四种蛋白质之一引起的。当多兰的同事改变细菌中编码一种蛋白质的基因时，这样获得的蛋白质不会在鸡蛋过敏患者的血清中引发反应。多兰认为，使用CRISPR编辑鸡基因可以获得不会引起过敏反应的鸡蛋。

该团队希望在今年晚些时候孵化出第一代转基因鸡，作为概念的证明。多兰知道，监管机构批准转基因鸡蛋上市需要相当长的时间。他希望到那时他的女儿已经摆脱了过敏症。

鸡只是一大群动物中的一个，它们的基因组很快就会被转化。今天，研究人员拥有的工具只能对一小群动物进行基因操作，这一过程通常效率低下且费力。随着CRISPR的出现，他们可以更准确、更简单地改变许多生物的基因。仅在过去两年中，当科学家们试图在农业、药物生产和灭绝物种的恢复等许多领域使用CRISPR时，编辑猴子、猛犸象、蚊子和其他动物的基因的前景经常被报道。CRISPR改造的动物甚至作为宠物在市场上出售。

然而，监管者仍在计划如何对待这类动物，尤其是那些用作食物或放入野外的动物。对安全和生态影响的担忧无处不在。就连美国国家情报署署长也插手进来，说基因组编辑的便捷、低成本和快速发展会增加一些人制造有害生物制剂的风险。

华盛顿特区威尔逊中心的生物技术监管研究人员Eleonore Pauwels说，CRISPR在动物身上的快速应用为研究人员和决策者提供了一个让公众参与讨论的机会。她希望这样的讨论将有助于确定哪种CRISPR应用对人类、其他物种和科学最有用，并强调这项技术的局限性。

疾病控制

抗病是CRISPR在农业中最受欢迎的应用之一，科学家正在改造许多动物的基因。在旧金山工作的生物技术企业家Brian Gillis希望这个工具能帮助防止蜜蜂在世界各地因疾病、寄生虫和其他因素而迅速消失。

目前，一些团队正在使用CRISPR和其他基因编辑系统来培育抗病毒性疾病的猪，这些疾病每年给农业带来数亿美元的损失。布鲁斯·怀特劳是英国爱丁堡罗斯林研究所的动物生物技术专家，他领导的团队就是其中之一。

他们使用了另一种基因编辑技术来改变家猪的免疫基因，使其更类似于对非洲猪瘟有天然抵抗力的疣猪的免疫基因。密苏里大学的Randall Prather创造了一种猪，它的细胞表面有一种突变蛋白，这种蛋白可以抵抗致命的呼吸道病毒。其他研究人员正在培育对导致昏睡的锥虫有抵抗力的牛。

药品生产

多兰对鸡蛋中过敏原的改造需要精确的控制。诀窍在于微调基因序列，使蛋白质不再引发人体免疫反应，但仍在胚胎发育中发挥正常作用。CRISPR第一次使如此精确的编辑成为可能。

CSIRO分子生物学家马克·蒂扎德和多兰研究了原始生殖细胞(PGC)——最终转化为精子或卵子的未成熟细胞。与许多动物不同，PGC鸡主要存在于发育过程中的血流中。因此，研究人员可以移除PGC，在实验室中编辑它们，然后将它们送回正在发育的鸡群中。该团队甚至开发了一种将CRISPR组件直接插入血液的方法，这样PGC就可以在那里编辑了。

研究人员还计划开发一种能直接整合CRISPR所需基因组和成分的CRISPi鸡。这使得编辑鸡的脱氧核糖核酸变得更容易，并且对“农场药物”(由家畜制造的药物)来说是一大福音。

灭绝物种的复活

大约4000年前，猛犸象的灭绝是由人类狩猎推动的。哈佛医学院CRISPR的先驱乔治·丘奇(George Church)因其雄心勃勃的计划而受到关注，他计划利用CRISPR将濒临灭绝的印度大象变成猛犸象，或者至少是能抵御寒冷的大象。他说，目标是将它们释放到西伯利亚的一个保护区，那里有足够的步行空间。

这个计划听起来很疯狂，但是让哺乳动物变得更庞大的努力已经持续了一段时间。去年，芝加哥大学的遗传学家文森特·林奇(Vincent Lynch)证实，拥有大量感知热量和控制毛发生长的基因的细胞可以在较低的温度下生长，而拥有相似基因的老鼠也更喜欢在温度可控的笼子里保持凉爽。丘奇说，他在大象胚胎中编辑了大约14个这样的基因。

当然，也有一些让灭绝物种复活的项目并不困难。例如，加州大学的本·诺瓦克想要复活一种曾经无处不在但在19世纪晚期由于过度捕猎而灭绝的鸟——鸽子。目前，他的团队正在比较博物馆样本和现代鸽子的DNA。诺瓦克使用了一种类似多兰的PGC方法，并计划编辑现代鸽子的基因组，使它们更像灭绝的鸽子。

矢量控制

几十年来，研究人员一直在探索转基因蚊子的想法，以防止登革热和疟疾等疾病的传播。CRISPR为他们提供了一种新的方法。

去年11月，加州大学欧文分校的分子生物学家安东尼·詹姆斯利用一种叫做基因驱动的合成系统开发出了抗疟疾蚊子，这种系统将抗疟疾基因传递给蚊子的后代。基因驱动确保了几乎所有的蚊子后代都可以继承编辑过的基因的两个拷贝，从而让它在整个种群中迅速传播。

去年12月发布的另一个基因驱动程序可以将一种能使所有雌性蚊子绝育的基因转移给它们的后代，从而消灭整个种群。中美和南美蚊子传播的寨卡病毒的爆发极大地增加了科学家们对这项技术的兴趣。一些实验室已经开始构建基因驱动程序，可以消灭携带寨卡病毒的埃及伊蚊。

更好的食品生产

去年11月，经过长时间的审查，美国食品和药物管理局批准了第一种供人类食用的转基因动物——由马萨诸塞州水产科技公司培育的能够快速生长的鲑鱼。有些人仍然担心，如果鲑鱼逃脱，它们将与野生鲑鱼一起繁殖，扰乱生态平衡。

为了解决这些问题，阿拉巴马州奥本大学的鱼类遗传学家雷克斯·邓纳姆使用CRISPR来灭活三种生殖激素。这种变化将对鱼进行消毒，因此任何可能从农场逃脱的鱼，无论是否经过基因改造，都没有机会污染自然种群。

CRISPR还将减少农民宰杀动物的需求。加州大学戴维斯分校的生物技术专家艾莉森·范·埃内纳姆(Alison van Eenennaam)正在利用这个项目来确保肉牛只产雄性或类似雄性的后代，因为雌性肉牛产肉较少，而且通常会被杀死。

宠物改良

去年9月，基因组公司BGI在中国深圳发布了一只非常受欢迎的小型猪。它只能长到大约15公斤，大约是标准腊肠犬的大小。BGI最初计划培育这种猪用于研究，但从那以后，它决定以1600美元的价格将其作为宠物出售。

BGI也在使用CRISPR来改变锦鲤的大小、颜色和风格。BGI基因编辑平台负责人王剑表示，该公司将在2017年或2018年开始销售锦鲤，并计划最终增加其他种类的观赏鱼。

同时，澳大利亚悉尼大学的遗传学家克莱尔·韦德说，CRISPR可以用来增强狗的能力。她的团队正在对不同品种之间的基因差异进行分类，并希望确定涉及各种行为和特征的领域，如敏捷性。韩国首尔的岫岩生物技术公司也对CRISPR感兴趣，该公司以克隆已故宠物而闻名，价值10万美元。该公司的研究员大卫·金(David Kim)表示，公司希望提高导盲犬或牧羊犬等工作犬的能力。

疾病模型

雪貂一直是一种有用的流感研究模型，因为病毒可以在呼吸道中复制，有时被感染后会打喷嚏，从而使研究病毒的传播成为可能。然而，直到CRISPR，病毒学家才拥有工具来轻易改变雪貂的基因。中国科学院的王小群和他的同事使用CRISPR来调节与雪貂大脑发育相关的基因。目前，他们正在用它来改变动物对流感病毒的易感性。

行为研究人员对基因操纵旱獭和猴子的前景特别兴奋。与标准的啮齿动物模型相比，这两种动物与人类的关系更为密切。这项研究工作在中国和日本发展最快。例如，中国科学院的神经科学家邱子龙和他的同事在今年1月发表了一篇文章，描述了瑞德综合征，一种神经发育疾病，与具有CRISPR诱导突变的MECP2基因有关。

CRISPR的“动物园”正在迅速扩张——当前的问题是如何“导航”前方的道路。Pauwels说，这一领域可能会面临与上一代转基因植物和动物研究相同的公众反对。为了避免这种情况，科学家需要充分交流他们工作的好处。(宗华)

《中国科学新闻》(国际，第三版，2016年3月21日)

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