基因剪刀“剪出”全部单性后代

来源：中国科学报 2021-12-06 11:39:58

这些小鼠被基因改造成只孕育单性后代。图片来源：THE FRANCIS CRICK INSTITUTE

奶牛只生母牛、母猪不生公猪、小鸡都能长成母鸡……这是农场主们理想的世界。这样的性别比例将避免他们杀死数以百万计的不产蛋或奶的雄性动物。

如今，科学家正在逐步将上述理想变为现实。

在12月3日发表于《自然—通讯》的研究中，研究人员利用基因编辑器CRISPR孕育出了一窝性别相同的小鼠。这可为农业发展带来潜在的好处，并且该技术可能在科学研究方面展现出更多优势。

“该研究展示了一种生产单性物种的最先进解决方案。”未参与该研究的以色列特拉维夫大学CRISPR专家Ehud Qimron说，这个研究结果“令人印象深刻”。

上述技术对实验动物的影响可能是巨大的。“在过去5年里，大约有2.5万篇以特定性别小鼠为对象进行研究的论文发表。”该研究合著者、英国弗朗西斯·克里克研究所分子遗传学家James Turner说。

在实验室中，一些生殖组织的研究只需要单一性别的小鼠，某些激素和癌症研究也只需要一种性别。因此，发展单一性别的孕育方法至关重要。

“如果我们能够避免小鼠子代性别未知，那么被挽救生命的小鼠将达数十万只。”Turner说。

除了基因编辑，还有其他改变新生动物性别比例的方法，比如，科学家可以根据性染色体的重量对精子进行分类，还可以使一种性别的胚胎在出生前死亡。

两年前，研究人员利用CRISPR成功改变小鼠性别，其5窝子代中有4窝都是雌性。而最新研究则将该技术改变性别的效率提升至100%，这是关键区别所在，即不会产生性别“错误”的后代。

Turner和同事Charlotte Douglas，与肯特大学的Peter Ellis合作，通过CRISPR生产了单一性别子代小鼠。CRISPR由两部分组成：物理破坏基因组中目标基因的酶复合物，以及识别目标基因并将复合物引导至正确位置的“向导RNA”。

研究小组对CRISPR复合物的上述两部分进行拆分，将酶复合物的基因放入一个亲本中，向导RNA则放入另一个亲本中。他们挑选了拓扑异构酶1（TOP1，细胞分裂的关键，抑制其活性会导致早期胚胎快速死亡）为靶点。

Douglas将靶向TOP 1的向导RNA基因插入雌性小鼠基因组，并将编码CRISPR切割复合物的DNA连接到雄性小鼠的Y染色体上。这样只有当带有该Y染色体的精子使雌性卵子受精时，酶和向导RNA才会重新结合，从而形成产生雄性的X/Y组合。

当雄性胚胎只有几十个细胞时，基因编辑开始发挥作用，可在胚胎有机会固植在母体子宫前将其杀死。这样就不会有雄性幼崽诞生。当CRISPR复合物连接到雄性的X染色体上时，结果正好相反，所有的雌性胚胎都会被“消灭”。

该方法也让母代小鼠活得更轻松，因为其需要维持的胚胎变少，留下的胚胎更有可能茁壮成长。

研究小组指出，许多动物身上都有TOP 1，因此该方法可能不仅适用于小鼠。

“这种方法似乎可以推广到包括鸟类和鱼类在内的其他物种，甚至有助于濒危物种的恢复。”未参与该研究的美国杰克逊实验室分子遗传学家Michael Wiles评价道。（徐锐）