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【墨香溢苑】 那些基因编辑后的动物
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那些基因编辑后的动物

杨雄雄

  被称为“成簇的规律间隔短回文重复序列”( CRISPR)的基因分子或基因剪刀已经在生物医学和生命领域产生了重大作用和巨大影响。除了对人的基因和人类胚胎的编辑引发巨大争议外,目前这一技术在编辑动物基因方面获得相当多的成果,为治疗人类疾病和生产人类所需要的产品提供了广阔平台。

  现在研究人员已经能用CRISPR基因剪刀来编辑猪、鱼、猴子、羊、兔子、老鼠、蝴蝶等动物的基因。下面可以梳理一下CRISPR基因剪刀编辑动物基因产生了哪些对人类有益的典型动物。

  治疗杜兴氏肌萎缩小鼠

  杜兴氏肌肉营养不良症(又称杜兴氏肌萎缩,DMD)是遗传性肌肉萎缩疾病。该病的致病基因存在于x性染色体中(Xp21),是通过性连锁隐性遗传而致病。该病由表达肌萎缩蛋白的基因受损引发。肌萎缩蛋白能够增强与保护肌纤维,当肌萎缩蛋白缺失时,骨骼肌与心肌将会发生退化。

  男性只有一个x性染色体,因此该病患者大多为男性,患者经常需要坐轮椅,利用呼吸机辅助呼吸,寿命一般在25岁左右。若女性的一对x性染色体中的一个携带有变异的杜兴氏肌萎缩基因,便成为一个杜兴氏肌萎缩的携带者,其儿子有二分之一的机会成为患者,其女儿则有二分之一机会成为杜兴氏肌萎缩基因携带者。

  目前,对于这种疾病还没有有效的治疗方法,CRISPR基因剪刀的出现为根治这种疾病带来了希望。CRISPR基因剪刀需要与Cas9配合操作,后者是一种由核糖核酸(RNA)指导的细菌核酸内切酶家族,被CRISPR系统用来在特异性的基因序列位点上识别和切割双链DNA,因此通常称为CRISPR- Cas9基因剪刀。

  CRISPR-Cas9基因剪刀当然不能先在人身上使用来治疗疾病,而是要进行动物试验。现在,研究人员利用CRISPR-Cas9基因剪刀对患杜兴氏肌萎缩的小鼠进行试验,获得了较好的效果。

  对小鼠治疗杜兴氏肌萎缩的原理是,CRISPR-Cas9基因剪刀可通过一节RNA将Cas9酶移动到基因组中导致该病的致病基因位置,然后该酶能够将特定的致病DNA片段切除,随后细胞通过损伤修复机制将断裂的DNA链连接,或者利用DNA模板创造新的序列。

  现在,美国西南医学中心的研究人员利用腺病毒将CRISPR-Cas9基因剪刀导入杜兴氏肌萎缩小鼠胚胎中,以切除有缺陷的编码肌萎缩蛋白的基因片段,结果使得出生后的小鼠能够产生新的肌萎缩蛋白,改善了小鼠杜兴氏肌萎缩的症状。

  另外,美国杜克大学的另一个研究小组也利用CRISPR-Cas9基因剪刀,直接对成年小鼠的腿部肌肉进行治疗,结果让小鼠的肌肉产生了正常的肌萎缩蛋白,力量得到增强,而且还改善了小鼠心脏等其他部位的肌肉力量。

  这些研究结果也意味着,CRISPR-Cas9基因剪刀可以用来治疗人的杜兴氏肌萎缩,但是,还需要先进行人体试验,并且需要得到伦理批准。

  基因编辑猪产生人类蛋白

  人血白蛋白(HSA)是人血浆中的蛋白质,其作用既广泛又重要,因为它们在体液内可以运输脂肪酸、胆色素、氨基酸等,同时能维持血液正常的渗透压。人血白蛋白还可用于治疗休克与烧伤,用于补充因手术、意外事故或大出血所致的血液丢失,也可以作为血浆增容剂。  ,但是,如果人血白蛋白只从人体获取,如从献血者的血液中提取,不仅数量有限,而且价格昂贵。因此,研究人员一直希望利用基因工程改造动物,如猪或羊来生产人血白蛋白。现在的CRISPR-Cas9基因剪刀为实现这一想法提供了理想的工具,因为通过基因编辑动物,如编辑猪,可以让猪生产人血白蛋白。

  但是,基因编辑猪也会有两种结果,既产生猪血白蛋白,也可产生人血白蛋白,要解决这个问题,就只能是在编辑猪的基因时,把敲入的人类基因放在位于猪血白蛋白产生基因的下游。北京蛋白质组研究中心的研究人员通过使用CRISPR-Cas9基因剪刀,将人血白蛋白的基因敲入到猪血白蛋白基因位点下游起始密码子,希望人血白蛋白基因能在猪内源性白蛋白基因的转录调控下表达,同时阻止猪内源性白蛋白基因的表达。

  研究人员在10只巴马母猪体内植入了300个改造过的受精卵,之后有5只猪成功怀孕,产下了16只巴马猪仔。结果发现,这16只猪仔都带有预期敲入的生产人血白蛋白的基因,在它们的血液中也能检测到人血白蛋白。不过,各只幼猪体内的人血白蛋白含量有所不同。因此,这只是一个初步的成功。

  更重要的是,要在未来的繁殖试验中查验敲入的人血白蛋白基因是否能在这些猪的后代中遗传下去。如果能稳定遗传下去,或许未来能让这些基因编辑的猪生产人们所需要的人血白蛋白。

  基因编辑猪提供供体器官

  人体器官供不应求制约了器官移植治疗疾病和挽救人的生命,因此,一直以来,研究人员在想方设法采用动物的器官供给病人移植,猪的器官就被视为是一个很好的人类器官的代用品。

  但是,采用猪的器官要解决两大问题:一是猪的器官可能引发器官受者的免疫排异反应,二是猪身上的一些隐藏的病毒和微生物可能对人有害。

  猪的器官对于人是异种器官,异种器官移植面临的免疫学排异反应表现为超急性排斥反应( HAR)、急性血管排斥反应(AVR)、细胞介导的排斥反应和慢性排斥反应。1993年,美国匹兹堡大学的外科医生库珀等人发现,大多数人类免疫反应的肇事者就是源自猪血管内皮细胞上的抗原,称为a -1,3一半乳糖,这是一种糖分子,能在几分钟内引发器官排异。但是,一种名为a -1,3-半乳糖基转移酶的物质对于产生这种糖是必需的,将产生这种酶的基因敲除,就有可能缓和免疫排异反应,从而让猪器官供人类移植。

  另一个问题是,猪体内有多达几十种潜藏的或休眠的逆转录病毒(PERV)。尽管对猪的这些逆转录病毒是否对人类有害存在争议,但较为普遍的看法是,如果使用猪的器官,就应当消除这些隐患,以免移植猪器官后引发其他疾病。因此,如果要使用猪的器官,就必须敲除猪体内这些逆转录病毒的基因,以确保万无一失。

  于是,去除或修改猪的a-1,3-半乳糖基转移酶和其他几十种逆转录病毒基因就历史地落到CRISPR-Cas9基因剪刀的肩上。美国哈佛大学的丘奇教授领导的团队在2015年10月宣布,他们的两个研究小组已经能完成去除或修改猪的仪-1,3-半乳糖基转移酶基因和其他几十种逆转录病毒基因的任务。

  一个研究小组利用CRISPR-Cas9基因剪刀对一组猪胚胎进行了20多个基因的改造,其中就包括编码猪的a-1,3-半乳糖基转移酶的基因,从而阻止了猪细胞表面的a一1,3-半乳糖产生,也就消除了猪器官上面的抗原,可以避免猪器官移植到人体时触发免疫反应。

  另一个研究小组利用CRISPR-Cas9基因剪刀编辑猪胚胎中的62个猪内源性逆转录病毒基因,让这些病毒失活。这项工作非常重要,因为这些病毒嵌入在所有猪的基因组中,无法进行处理或是被中和。由于担心它们有可能给人类患者带来疾病,猪器官迟迟不敢用于人类。

  现在,由于解决了这两个问题,即消除了引发免疫反应的a一1,3-半乳糖基转移酶基因和猪内源性逆转录病毒基因,下一步将有可能把猪的器官移植给人。不过,在对人进行移植前,还要通过动物试验来验证,例如,对狒狒和猴子移植经过CRISPR-Cas9基因剪刀编辑的猪的器官,如肺、心脏和肝脏。

  美国马里兰大学医学院的外科医生已经在做这种动物试验。他们从一头经过CRISPR-Cas9基因剪刀编辑的成年猪身上摘下肺,移植给一只6岁的狒狒。未来,这一研究结果将会公布,以此论证,猪的器官是否可以移植给人。

  大力士和天狗

  除了猪与人的生理和代谢相似、器官大小差不多之外,狗与人的生理也比较接近,因此,研究人员一直希望建立狗的动物试验模式,为人类服务。现在,CRISPR-Cas9基因剪刀的出现让中国研究人员创造了一种特殊的狗,一只称为大力士,一只称为天狗。

  中国科学院广州生物医药与健康研究院的赖良学团队利用CRISPR-Cas9基因剪刀敲除狗的肌肉生长抑制素基因,以增强狗的肌肉能力,因为该基因对骨骼肌生长具有抑制作用,被敲除后,肌肉生长发育能力就会增强。

  研究人员最初利用CRISPR-Cas9基因剪刀对60多个狗胚胎进行编辑,然后把胚胎植入母狗体内孕育,诞生了27只小狗,但只有2只(一公一母)小狗的肌肉生长抑制素基因被敲除。肌肉生长抑制素基因被敲除的狗的肌肉在4月龄时就显得比普通狗更为发达,研究组将两只狗分别命名为大力士(公)和天狗(母)。

  预计这种基因敲除狗在成年后将具有更强的运动能力,适合狩猎以及军事应用。由于狗与人的代谢、生理以及解剖特征相似,这类由CRIS-PR-Cas9基因剪刀编辑的狗会被用于治疗人类的一些遗传病,如帕金森病、重症肌无力、肌萎缩侧索硬化症(ALS,渐冻人症)的试验。

  过去,人们常在小鼠身上建立模型来探索和治疗这类疾病,包括杜兴氏肌萎缩。但是,由于小鼠较小,与人的生理状况差别较大,用小鼠模型获得的结果与人的差别也很大,还需要进一步试验才能用到人身上。现在,用CRISPR-Cas9基因剪刀编辑的狗就能对治疗肌萎缩侧索硬化症有直接的模拟作用。

  CRISPR-Cas9基因剪刀不只是能编辑和产生上述新的动物,也已经产生了基因编辑猴等动物。随着这一技术的应用,会有越来越多的基因编辑动物出现,既能为人类健康和治病服务,又能提供人类所需的各种生物产品。

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