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基因驱动可以拯救濒危物种吗

奇异鸟

这种奇异果是新西兰本土物种之一,被入侵的啮齿动物捕食。科学家认为,“基因驱动”技术的新变化可以控制害虫并拯救鸟类。

 

新西兰的新西兰人和其他本地鸟类陷入困境。在19世纪,欧洲商人和移民向南太平洋岛国引进了许多外来老鼠,白鼬和其他动物。从那以后,许多这些非本地动物 - 被称为入侵物种 - 一直在捕食本土鸟类,其中一些不会飞。新西兰领导人希望摆脱入侵者。一项新技术可以提供帮助。但科学家现在正在质疑这是否是明智之举。

Kevin Esvelt是剑桥麻省理工学院的进化生态学家。一位进化生态学家研究生物的遗传学以及物种随时间的变化。“你需要非常小心,”埃斯威特说。他指出,总有可能一些“解决方案”可能会在生态系统的其他地方引起问题。

Esvelt正在与新西兰人谈论一项计划。他们正在考虑使用一种称为基因驱动的基因编辑工具。它可以将自身复制并粘贴到生物体的基因组中。(基因组是生物体内完整的遗传指令。)一旦基因驱动进入基因组内部,它就会改变某些入侵物种的基因,使得该物种在其不存在的地方死亡。属于。

这听起来像是件好事。实际上,许多科学家都希望它会成功。他们仍有担忧。毕竟,如果一个基因驱动器“逃脱”,它可能会杀死那些目标物种,即使它确实存在。

“科学新闻”杂志的Tina Saey拥有分子遗传学博士学位。她经常涉及基因编辑和基因驱动。在该杂志的获奖专题报道中,她指出:“研究人员设计了将[基因驱动]限制在实验室中的方法。”然而,她补充道,“对于释放到野外的基因驱动,不存在这样的安全网。 ”

消灭整个物种,即使它是一种害虫,也会引发一些问题,即这样的行动是否正确。她指出,迄今为止,科学家和政策制定者才刚刚开始考虑这个问题。

这个怎么运作

解释器:CRISPR的工作原理

近年来,一种新的非常流行的工具可用于修补基因。它被称为CRISPR / Cas9。大多数人称之为CRISPR。(这比使用它的全名短得多:“有规律地聚集在一起间隔短的回文重复。”)Cas9部分是一种酶。它是一种切割DNA的分子剪刀。

科学家将Cas9注入他们想要改变DNA的细胞中。但Cas9是盲目的,不知道在哪里削减。它需要一个好友,就像一只导盲犬,来展示它的剪裁位置。在这种情况下,导盲犬是一小块另一种遗传物质,称为RNA。指导RNA显示Cas9在哪里切割。

指导RNA非常挑剔。他们只会将Cas9带到基因组中的某个特定位置。它类似于导盲犬将其主人带到一个特定的地铁站和正确的轨道。尽管有许多地铁站和多个轨道,但只有一个是正确的。

一旦Cas9及其导游到达目的地,剪刀就会剪掉DNA。然后,其他事情可能发生。一种可能性是细胞可以修复切口。有时通过将切割的末端粘在一起来完成修复。这可以打破基因。有时修复通过使用基因的健康拷贝作为模式来修复先前破坏的基因。科学家们已经使用这种RNA酶组合来打破和修复许多类型动物的基因。

另一种可能性是研究人员注入细胞的一片DNA(以及Cas9)可以粘贴到切割部分。科学家使用这种方法在精确的位置将基因插入植物和动物。

基因驱动使CRISPR系统更进一步。

基因驱动使用额外的DNA片段粘贴到切口中。额外的DNA包含再次制作CRISPR系统的代码。它就像组合剪刀和复印机,可以复制自己。

当携带基因的动物或植物驱动配偶时,其卵或精子将产生剪刀蛋白和指导RNA。当来自具有基因驱动的生物体的卵子或精子与来自未改变的生物体的卵子或精子融合时,基因驱动开始工作。Cas9在指导RNA显示的位置切割未改变的DNA。然后,细胞通过放入基因驱动的副本来修复中断。这是额外的复制步骤,使基因驱动器与常规CRISPR不同。

什么使基因驱动特别

通常,父母有50/50的机会将任何给定的基因传递给其后代。但是基因驱动接管任何未改变的靶基因版本。因此,几乎100%的时间都可以传递它们。这就是为什么它们被称为基因驱动 - 因为它们打破了50/50的遗传速度限制。

科学家们在实验室中使用基因驱动来改变果蝇的眼睛颜色。他们用酵母修补。两个独立的小组已经使CRISPR基因驱动阻止蚊子传播疟疾。(一组研究人员改变了蚊子,使昆虫不能携带疟疾寄生虫。另一组改变了基因,使蚊子不再繁殖。)

CRISPR基因驱动可以在几乎所选物种的每个成员中进行基因编辑。怎么样?科学家们将他们想要改变的新基因 - 我们称之为“驯服”基因 - 添加到目标物种中。然后,只要发现该基因的野生(未经编译)版本,CRISPR基因驱动就会发生这种变化。

Esvelt解释说,由于遗传“驯服”的生物与野生生物繁殖,CRISPR基因驱动“切割原始版本并用编辑后的版本替换它”。现在,“在下一代,所有的后代都保证继承它。然后再次。然后再次。并且再一次。“最终,人口中的每一个生物体都将与新插入的驯化基因一起出生。

打破速度限制

在一小部分人口中,这种变化可能只需要12至24代。对于像老鼠这样的短寿命动物,可能只有几年。如果任何具有改变的基因的生物进入其他地方,它们可以将该基因驱动传播到新的群体中。例如,埃斯威特指出,“老鼠在船上真的是很好的偷渡者。”或者人们可以故意移动它们。Esvelt说,只有少数改变后的生物被释放到一个新的群体中应该能够迅速将基因驱动通过所有这些生物。

大鼠捕食者

老鼠是许多地方的害虫,包括新西兰,在那里它们捕食本地鸟类。基因驱动的新变种可能有助于拯救本地物种。

Sergey Yeliseev / Flickr

他甚至提出了一种人道的方法来杀死威胁当地鸟类的老鼠种群:添加一种使大鼠不育的基因。个体大鼠不会受苦。但他们没有更多的婴儿。随着时间的推移,当地人口将会消亡。老鼠对鸟类的威胁就会消失。

但即便是老鼠也有生态系统依赖它们的原生种群。所以科学家们不想在世界各地杀死它们。否则,这可能会在其他地方甩掉生态平衡。Esvelt的团队提出了一种限制风险的方法。

“我们称之为雏菊驱动器,因为它涉及创建基因驱动器菊花链,”他解释道。就像雏菊链中的每朵花是一个单独的单元一样,“雏菊”基因驱动的每个部分都将具有CRISPR和基因驱动的部分指令。这些部分散布在基因组的不同位置。因为父母的DNA中只有一半被传递给后代,所以有些部分不会在下一代遗传。如果没有一个生物体中的所有碎片,基因驱动最终会得到一个爆胎,不能再开车了。

Esvelt已经开始使用菊花链基因驱动器在实验室中使用被称为线虫的微小蠕虫。他说,结果“非常初步”。不过,他认为,是时候开始讨论这个想法了。

我们有权利吗?

Todd Kuiken是罗利北卡罗来纳州立大学的环境科学家。他和Esvelt在10月6日谈到了基因驱动和CRISPR。他们参加了宾夕法尼亚州匹兹堡的环境记者协会年会.Kuiken同意很多人应该认真思考并讨论是否以及如何结合基因驱动和CRISPR。

“我们作为人类真的有权这样做吗?”Kuiken问道。这是一个很大的问题。他的意思是,基因驱动器的版本存在很大的危险,旨在永远传播环境的变化。即使有菊花链,他也想知道人类是否有权“从一个我们不想要它的地方移走一个物种,或者我们认为它不适合它。”

此外,他问道,“你在哪里对基因驱动进行实地测试?”毕竟,人们想改变的动物不会留下来。他们倾向于在一个生态系统中漫游。

什么是正确的事情,没有人有明确的答案。Kuiken说,也不清楚谁应该有权做出最后的决定权。他补充说,但这并不意味着该技术根本不应该被使用。事实上,他指出,如果人们等待太久,拯救濒临灭绝的物种可能为时已晚。

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