加利福尼亚大学的研究人员首次使用基因编辑工具CRISPR来加速哺乳动物特定基因的遗传。几年前在实验室饲养的昆虫身上就证明，这种有争议的“基因驱动”（gene drive）策略可以在整个物种中快速传播某个基因（确保动物将特定特性遗传给后代，最终改变整个族群的基因）。它激起了人们利用致命基因来消灭蚊子等害虫的梦想，现在，也许还包括像兔子、小鼠和大鼠之类破坏庄稼、导致疾病的哺乳动物。

这项新研究的目的是创造新的实验小鼠品种，而不是消灭野生动物种群。研究还表明，“基因驱动”在啮齿类动物身上的效果不如昆虫。不过，澳大利亚阿德莱德大学的分子遗传学家Paul Thomas正在进行类似的实验，他称这是“在哺乳动物基因驱动技术发展方面迈出的重要第一步”。

这项研究由加利福尼亚大学圣地亚哥分校的遗传学家Kimberly Cooper领导。三年前，Ethan Bier和Valentino Gantz等人证明，CRISPR能够在果蝇体内创造一种有效的基因驱动。但它已经引发了大量的科学讨论。澳大利亚约翰·科廷医学研究院的小鼠遗传学家Gaétan Burgio表示，“这是一项非常好的研究，具有相当重要的意义”，“关于啮齿动物的基因驱动，目前还一无所知。我们都认为效率与果蝇相同，但新研究的结果却不是如此”。

加利福尼亚大学圣地亚哥分校的研究人员通过改造雌性小鼠使其携带DNA剪切酶Cas9的基因（CRISPR组分之一）来构建“基因驱动”；他们改造雄性小鼠，使其携带另一种组分——引导RNA（guide RNA，gRNA）的基因，以及一个修饰毛色的基因。gRNA能将Cas9转运到基因组的特定目标上。通过培育这些经过改造的小鼠，它们的幼崽在不同染色体上都有两种CRISPR组分的基因。

在Cas9切割后，细胞会修复损伤——而如何修复是“基因驱动”成功的关键。细胞既可以重新连接被切断的DNA链，也可以通过插入新的DNA片段来修补缺口，后一过程被称为同源定向修复（homology directed repair，HDR）。“基因驱动”可利用HDR插入一个新的基因——毛色修饰基因的拷贝。然而，细胞自然地倾向于简单地重新连接被切断的DNA，这就阻碍了“基因驱动”。

加利福尼亚大学圣地亚哥分校的研究团队利用一种基本的生物现象迫使细胞向HDR方向发展。他们操纵Cas9在减数分裂期间启动（减数分裂是一种可产生精子或卵子的细胞分裂过程）。染色体在减数分裂期间自然地交换DNA，并且在这些交换期间，细胞仅允许HDR。

该实验在雄性中无效，可能是因为精原细胞在减数分裂前进行了有丝细胞分裂，阻碍了HDR；但是在雌性小鼠中，“基因驱动”成功了。在许多卵子中，其将毛色修饰基因复制到伴侣染色体上，这将显著提高后代遗传该基因的几率。在一只小鼠身上，79%的卵子最终在一对染色体上都有毛色修饰基因。如果这只雌鼠与没有该基因的雄性交配，约90%的幼崽会遗传该基因。（果蝇有不同的胚胎发生过程，这个过程可以提高HDR的效率，并允许它在两性中都起作用。）

Cooper和她的同事们认为，这种“活跃的基因元件”系统可以加速转基因小鼠的产生。Michael Wiles是美国缅因州巴尔港的杰克逊实验室的技术评估和开发负责人，该实验室是世界上最大的基因工程小鼠生产商之一，他说这种方法可能“非常有用”，因为许多人类疾病是由几种基因的变异引起的，但制造遗传上模仿这些疾病的小鼠是缓慢而费力的。Wiles说：“我现在接到要求，要制造具有六处修饰的小鼠，它们的繁殖时间变得惊人。”他说，有了“基因驱动”，五年才能完成的事情在一年内就可以完成。

尽管这项新工作的目标只是改造实验室小鼠，但美国麻省理工学院媒体实验室的进化生物学家Kevin Esvelt说，他对此感到担忧。他认为，一种有可能被释放到野外世界的“基因驱动”应该包括一种“自毁开关”来关闭它，让动物恢复自然状态。Esvelt说，“令人不安的是，该研究没有明确提及保障措施”。

然而，上述加利福尼亚大学的“基因驱动”可能会在几代后停止在小鼠群体中传播。因为Cas9和gRNA的基因在不同的染色体上，它们会逐渐分离，驱动将失去效力。Cooper和她的同事强调，为野生哺乳动物创造一个有效的“基因驱动”，仍是一个挑战。他们的结论是：“基因驱动可能很快被用于减少野生入侵的啮齿动物数量，这种乐观或担忧可能还为时过早。”

（作者：贾盛崧)

参考文献：Science 2018;361:118