研究人员创建新系统以实现更安全的基因驱动测试和开发

科学家们继续拓展CRISPR的技术前沿及其巨大潜力，涉及从人类健康到全球食品供应等各个领域。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每年导致数十万人死亡的疟疾感染的传播，但安全问题已经提出，因为这种驱动可以迅速传播并控制整个人口。科学家们通过测试构成驱动装置的许多不同组件组合，探索了控制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GerardTerradas以及博士后学者ZhiqianLi和EthanBier教授领导，与加州大学伯克利分校研究生JaredBennett和副教授JohnMarshall密切合作，描述了这一发展用于在实验室中测试和开发基因驱动并将其安全地转换为潜在实际应用工具的新系统。

“这些研究[...]赋予了基因驱动系统的新工程能力，同时提供了有关如何评估和分析其最重要运动部件之间关键相互作用的重要信息，”生物科学学院教员Bier说。细胞和发育生物学。

基于CRISPR的基因驱动器具有一种称为Cas9核酸内切酶的蛋白质和一种引导RNA分子，它们联合起来将DNA切割到基因组中可以插入新遗传元件的特定位点。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，导致后代的遗传率超过标准的50-50%，而不是有利于新插入的遗传元素。

基因驱动有两种“口味”。全基因驱动(fGD)在一个链接的单一包中携带Cas9和指导RNA组件。相比之下，分裂驱动器(sGD)由两个遗传元件组成，它们分别携带Cas9和引导RNA成分，并插入基因组的不同位点。分裂驱动器被认为比fGD更安全，因为可以单独或在它们逐渐放大gRNA组件频率的条件下控制和测试每个元素携带的组件。研究人员将这两个元素设计成最终重新连接，以实现全基因驱动的效果。

在根除疟疾的案例中，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一种载体来转移阻止导致感染的疟疾寄生虫传播的元素。但由于fGD有可能迅速传播并可能改变整个蚊子种群的基因构成，因此也引起了人们的关注。使用fGD进行试验需要高度安全的屏障和限制，以防止携带此类驱动器的昆虫意外逃逸到开放环境中。

分裂基因驱动不是这种情况。由于关键要素是独立的，sGD的无意传播风险要小得多，研究人员对其安全操作的控制也更大。sGD的实验可以在传统的实验室设施中进行，从而可以更灵活地测试它们的潜力。

然而，科学家们在开发能够有效地将sGD转化为功能齐全的fGD的系统方面面临着挑战。当前将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成分，每个遗传成分都必须表现出高效的驱动特性。

现在，最近开创了基因驱动开发和相关技术的加州大学圣地亚哥分校的科学家们已经创建了一个灵活的基因“黑客”系统，用于将sGD转化为fGD。在果蝇中，研究人员开发了一种新的遗传策略，该策略采用由sGD的Cas9部分携带的专门设计的向导RNA。这种黑客工具会切断sGD的复制部分并触发基因交换或“重组事件”，将Cas9插入到携带向导RNA的元件中，从而创建功能齐全的fGD。

“首先，也是最重要的是，这项研究为sGD到fGD的敏捷遗传转换提供了原理证明，这将极大地有助于测试和开发新的优化基因驱动系统，”论文的第一作者Terradas说。，现在在宾夕法尼亚州立大学工作。

一旦研究人员开发出他们新的sGD-to-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，新破解的fGD在笼式实验中通过苍蝇种群传播。然而，它的传播速度出乎意料地慢于模型对传统fGD的预测。

研究合作者Bennett和Marshall开发了一个数学模型来提供解释。他们的模型显示，在黑客转换期间，fGD对单个果蝇施加的适应度成本比单独的sGD更大。这种适应性成本在驱动元件复制自身时展开，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，表明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，”Bennett说。

该论文的完整作者名单包括GerardTerradas、JaredBennett、ZhiqianLi、JohnMarshall和EthanBier。