基因编辑技术现已能100%培育出单性别小鼠

【字体: 时间:2021年12月06日 来源:Nature Communications

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  弗朗西斯·克里克研究所(Francis Crick Institute)的科学家与肯特大学(University of Kent)合作,使用基因编辑技术,以100%的效率培育出只准雌性和只准雄性的小鼠窝。

  
   

Mice    

小鼠的黑色皮毛是指转基因细胞,白色是指非转基因细胞。研究人员培育这些动物,产生100%转基因的后代,其中包含一半的CRISPR-Cas9。


基因编辑曾用于培育单性别小鼠

弗朗西斯·克里克研究所(Francis Crick Institute)的科学家与肯特大学(University of Kent)合作,使用基因编辑技术,以100%的效率培育出只准雌性和只准雄性的小鼠窝。

这项原理证明研究发表在12月3日星期五的《自然通讯》(Nature Communications)杂志上,展示了该技术如何可以用于提高科学研究中的动物福利,或许还可以用于农业。

在科学研究和农业中,通常需要雄性或雌性动物。例如,对雄性或雌性生殖的实验室研究只需要研究同一性别的动物。在农业中,只有雌性动物才能生产卵子和饲养奶牛。这意味着非必需性别的动物在出生后被宰杀是一种常见的做法。

研究人员的新方法是利用两部分遗传系统在受精后不久使胚胎失活,只允许想要的性别发育。这种以基因为基础的方法来控制后代的性别,可以大大减少这两个行业的扑杀。

胚胎选择是基于CRISPR-Cas9有两个元素的事实——Cas9酶切割DNA,允许科学家改变特定区域,以及引导RNA,将Cas9携带到基因组的正确位置。该团队将该系统的一个元素放在父亲的X或Y染色体上,这意味着它将分别由女性胚胎和男性胚胎遗传。另一种元素由母亲贡献,由所有胚胎继承。

他们的目标是Top1基因,这对DNA复制和修复至关重要。当一个由精子和卵子组成的胚胎,每个精子和卵子都含有一半的CRISPR-Cas9,基因编辑在胚胎中被触发,它不能发展超过16到32个细胞的非常早期阶段。

使用这种方法,研究人员能够100%有效地控制幼崽的性别。为了产下一窝雄性幼崽,研究人员编辑了父亲的X染色体,这意味着只有雌性继承了有害的突变,而对于一窝雌性幼崽,他们编辑了Y染色体。

令人惊讶的是,这种方法并没有导致子代数量减少50%,而是产仔数在对照组的61% - 72%之间。研究人员认为,这是因为像小鼠这样的动物在每个卵巢周期产生的卵子比所需的要多,允许在早期发育过程中失去一部分卵子,而不减少产仔数。这意味着,在需要一个性别的情况下,需要更少的繁殖动物来产生相同数量的理想性别的后代。

由于Top1基因在哺乳动物中具有良好的保守性,这些结果可能也适用于其他动物。

第一作者、克里克医学院前博士生和博士后科学家夏洛特·道格拉斯说:“当我们将基因组编辑过程分成两半时,这种方法就会起作用,在雄性和雌性之间,只有当这两部分通过繁殖在胚胎中相遇时,它才会被激活。有两半的胚胎不能发育超过非常早期的细胞阶段。

“我们还展示了这一过程在不同的组合中成功地工作——将Cas9或引导RNA元素引入到母亲或父亲的染色体上。”

由于存活下来的后代在其基因组中只含有一半的CRISPR-Cas9元素,这作为一种控制,防止性别选择遗传给后代,除非他们被选择性地与含有另一半的异性个体交配。这与通过“基因驱动”的基因工程不同,后者寻求在人群中广泛传播基因突变。

基因编辑对幸存的后代也没有有害影响。

詹姆斯·特纳是克里克大学性染色体生物学实验室的作者和小组领导,他说:“这项工作可能对科学实验室产生直接和有价值的影响,因为我们已经证明了它在小鼠身上是安全有效的,小鼠是一种用于医学和科学研究的常见哺乳动物。虽然很多研究需要两性都参与,但也有一些研究只需要一种。例如,在研究生殖系统、性别特异性疾病或某些激素时。”

肯特大学(University of Kent)分子遗传学和生殖学高级讲师、作家彼得·埃里斯说:“当涉及到改善动物福利时,这项工作的影响可能是深远的,但应该在伦理和监管层面加以考虑。

“特别是,在任何潜在的农业用途之前,需要有广泛的公众对话和辩论,以及修改立法。在科学方面,还有许多工作要在数年内完成。还需要进一步的研究,首先开发针对不同物种的特定基因编辑工具包,然后检查它们的安全性和有效性。”


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