研究人员创建新系统以进行更安全的基因驱动测试和开发

在杂志 自然通讯, 加州大学圣地亚哥分校的研究人员由前博士后学者 Gerard Terradas 与博士后学者 Zhiqian Li 和 Ethan Bier 教授领导，与 IGI 研究人员 Jared Bennett 和 John Marshall 教授密切合作，描述了用于测试和开发基因驱动的新系统的开发实验室，并将它们安全地转化为用于潜在实际应用的工具。

“这些研究既支持基因驱动系统的新工程，同时提供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，”加州大学圣地亚哥分校生物科学学院教员比尔说。 手机 和发育生物学。

基于 CRISPR 的基因驱动具有 蛋白质 叫做 Cas9 核酸内切酶 的网络 向导RNA 联手指挥的分子 的DNA 削减到特定网站的 基因组 可以插入新的遗传元素的地方。 当 DNA 修复这些切口时，新的遗传元素从一个 染色体 另一方面，导致超过标准 50-50% 遗传的后代，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) 携带 Cas9 和向导 RNA 链接的单一包中的组件。 相比之下， 拆分驱动器 (sGD) 由两个遗传元件组成，分别携带 Cas9 和引导 RNA 成分，并插入基因组的不同位点。 sGD 被认为比 fGD 更安全，因为可以单独或在它们逐渐放大 gRNA 成分频率的条件下控制和测试每个元素携带的成分。 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科学家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。

加州大学伯克利分校的 IGI 研究人员 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。