什麼是基因驅動?可以將特定的基因遺傳機率達到100%?

2020-12-11 遨遊世界科學

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我們知道,基因是人類遺傳的關鍵,基因支持著生命的基本構造和性能。儲存著生命的生長、凋亡等過程的全部信息。因此,孩子容易繼承父母的一些特徵,不僅僅是外表,甚至是性格等等,這就是自然選擇的作用,然而我們有沒有辦法改變下一代的遺傳信息呢?事實上,是有的,比如基因驅動。

基因驅動用一個新基因取代了一個自然基因,然後一代又一代地遺傳下去。基因驅動是一種基因工程技術,它改變基因,使它們不遵循典型的遺傳規律。基因驅動極大地增加了一組特定的基因被遺傳到下一代的可能性,使得這些基因能夠迅速地在一個群體中傳播,並凌駕於自然選擇之上。由於CRISPR-Cas9是一種利用細菌進行基因編輯的技術,基因驅動對研究人員來說越來越容易構建。

利用基因驅動技術你可以改變進化軌跡。倫敦帝國學院的遺傳學家安德烈亞·克裡斯蒂說。這可能是一個有效的方法,以消除有害物種,如瘧疾引起的蚊子。但科學家仍在努力確定利用基因驅動來消滅整個物種可能產生的更廣泛的生態和環境影響。

基因驅動是如何工作的?

基因驅動器由三個關鍵組成部分組成:你想要傳播的基因;可以切割DNA的Cas9酶;以及識別酶應切割位置的可預測DNA序列CRISPR。基因驅動就是為這三種元素編碼的遺傳物質被插入到動物的DNA中,而不是你想在兩條染色體上替換的自然發生的基因。

「基因驅動的力量在於它擾亂了遺傳規律,」克裡斯蒂說。在正常的遺傳中,任何特定的基因都有50%的機率從父母傳給後代。基因驅動技術將50%的機會轉化為近100%的保證。

當攜帶基因驅動程序包的動物與不攜帶基因驅動程序包的動物交配時,它們的後代從父母中的任何一方獲得一份DNA副本:自然版本和基因驅動版本。當精子與卵子相遇,來自不同親本的染色體第一次排成一列時,基因驅動DNA中的CRISPR被激活。它能識別對側染色體上自然基因的拷貝,並在胚胎發育開始前引導DNA切割Cas9酶切出自然拷貝。

一旦自然基因受損,細胞的特殊修復機制就會啟動。修復機器恢復丟失的DNA,但它使用未斷裂的染色體(攜帶基因驅動的染色體)作為模板。所以當修復完成後,兩條染色體都攜帶一份基因驅動的拷貝。從那時起,基因驅動的兩個拷貝將在每個細胞中,動物將把基因驅動傳遞給下一代。

所以這個過程還在繼續。每次這種驅動力傳遞下去,CRISPR就會切斷基因的自然版本,細胞修復機制就會介入,基因驅動力的一個拷貝就變成兩個。在短短的幾代中,新基因在人群中變得無處不在,有時完全取代了自然發生的基因。

基因驅動蚊子

2018年,克裡斯蒂和他的同事在《自然生物技術》雜誌上發表了一項研究,描述了基因驅動技術如何導致導致瘧疾的蚊子種類甘比亞按蚊種群崩潰。該研究小組建立了一種基因驅動機制,可以改變與性別相關的基因,擾亂女性生育能力。女性生育基因受損的基因驅動力在不到七代的時間裡就傳播到了100%的受試人群中。這一物種無法交配,種群數量銳減。一些研究人員認為,這可能是最終消滅瘧疾的方法——根據世界衛生組織(WorldHealthOrganization)的數據,瘧疾是一種殘忍的疾病,在2018年導致全球2.8億人患病,40.5萬人死亡。

克裡斯坦蒂說,基因驅動方法是一種獨特的、負擔得起的、可持續的消滅瘧疾蚊子的方法。他說,殺蟲劑和環境管理等其他方法雖然有效,但成本極高,遠遠超出了許多國家的經濟能力。」基因驅動允許遺傳特性從少數個體在群體中傳播,從根本上解決可持續性問題。」但是消滅整個物種是一件大事,在自然界中實施基因驅動並不是一個容易的決定。

基因驅動危險嗎?

科學家們正在努力預測消除一種有害物種對生態系統其他部分可能會導致什麼後果。利用基因驅動消滅瘧疾蚊子似乎是一個影響最小的計劃。」北卡羅萊納州立大學進化生物學家弗雷德·古爾德(Fred Gould)說,到目前為止,生態測試表明,當一種蚊子被消滅時,生態系統不會崩潰。

其他基因驅動項目的生態效應更難辨別。例如,根據2016年發表在《美國國家科學院院刊》上的一項研究,自然資源保護者和遺傳學家正在研究一種可以消滅入侵島嶼齧齒動物的基因驅動,因為入侵島嶼齧齒動物與75種本土物種的滅絕有關。

但是,用基因驅動消滅齧齒動物比消滅蚊子可能帶來更大的生態風險。如果基因驅動的齧齒動物曾經逃離這個島嶼,回到齧齒動物的自然棲息地,比如北美,這種驅動可以消滅老鼠,因為它們是生態系統的重要組成部分,而齧齒動物的消失可能導致生態系統崩潰。

為此,科學家們一直在研究一種只針對生活在島上的老鼠的策略。地理上不同的群體往往攜帶著同一個基因或等位基因的變體,這是他們當地群體特有的。如果科學家能夠確定一個他們想要根除的人群特有的等位基因,那麼他們就能創造出一個特定於該人群的基因驅動力。這種驅動力只會傳播到攜帶這種特定等位基因的個體;如果沒有這種特定等位基因,這種驅動力就無法在個體中發揮作用。

此外,一些科學家正在研究潛在的修復計劃,或在出現不希望的結果時從環境中移除基因驅動力的策略。儘管利用基因驅動來保護人類健康和恢復生態平衡的概念是有希望的,但對這一技術的含義和有效性的研究還有很長的路要走。

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