基因驱动的是与非

转自 生命奥秘,Jul 16, 2019

改变整个动物种群的基因组的基因驱动技术有助于战胜疾病和控制害虫，但研究人员担心释放这种新技术会造成无可预估的后果。

伦敦帝国理工学院（Imperial College London）的两位遗传学家Austin Burt和Andrea Crisanti在8年里一直试图改变蚊子的基因。他们想要绕过自然选择，给蚊子插入一种基因，这种基因会比通过遗传过程所传播的自然突变更快地扩散到整个群体。他们的设想是，可以通过传播一种基因来遏制蚊子的数量，从而预防疟疾，使它们无法传播疾病。

Crisanti记得，他们失败了一次又一次。但最后，在2011年，他们成功了：他们插入到蚊子基因组的基因已经在种群中大规模传播，85%的后代都携带该基因。

这是第一个工程化的“基因驱动”：一种遗传修饰，能够以较高的概率在种群中传播。基因驱动技术已迅速成为某些实验室的常规技术，科学家现在可以在几个月内完成一个基因驱动改造动物。该技术依赖于基因编辑工具CRISPR和一些RNA来改变或沉默特定基因，或插入一个新基因。在下一代中，驱动基因会将自身复制到其伴侣染色体上，导致后代一定携带基因驱动。通过这种方式，基因驱动将传递给所有的后代，而不是大约一半的后代（图“基因驱动的作用机制”）。

自2014年以来，科学家已经在蚊子、果蝇和真菌中设计了基于CRISPR的基因驱动系统，目前正在小鼠中开发它们。但这只是故事的开始。关于基因驱动是否可行的问题已经被其它未知因素所取代：它们将如何运作，如何测试它们以及谁应该对技术进行调节。目前科学家已提出，基因驱动可作为减少或消除昆虫传播的疾病的手段，或控制入侵物种甚至逆转害虫中的杀虫剂抗性的方法。Crisanti指出，目前还没有任何工程化基因驱动动物被释放到野外，但该技术原则上可以在三年后就绪。他与Target Marlaria——一个非营利性的国际研究联盟——合作，旨在利用基因驱动消除非洲由蚊子传播的疟疾。7月1日，该组织在布基纳法索的一个村庄释放了一批经过基因改造，但尚未配备基因驱动的蚊子。

坦桑尼亚达累斯萨拉姆伊法卡拉卫生研究所（Ifakara Health Institute）的科学主任Fredros Okumu表示，基因驱动不同于以前测试过的任何生态修复。基因驱动器将自行传播，我们必须与所有相关国家合作，并公开分享信息。

剑桥麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology, MIT）媒介实验室的生物工程师Kevin Esvelt表示，技术挑战并不像社交和外交挑战那样令人生畏。这样的技术对人们的生活产生了现实的影响，几乎可以立即实现。Esvelt是最早建立基于CRISPR的基因驱动器的人之一。

鉴于对基因驱动的潜在担忧，Nature探讨了有关该技术及其应用的五个关键问题。

基因驱动有效吗？

建立一个操纵或根除种群的基因驱动就像与自然选择进行斗争，而且这场斗争难以获胜。

一旦研究人员开始在实验室中定期进行基因驱动，动物就会对它们产生抵抗力/抗性——积累突变，阻止驱动器扩散。例如，在对被插入果蝇的两个驱动器的测试中，果蝇群体会逐渐形成抗性。最常见的是，突变会改变CRISPR设定识别的序列，从而阻止基因编辑。在笼养蚊子的实验中，Crisanti和Target Malaria的研究员Tony Nolan观察到，由于靶基因的抗性突变，基因驱动在多代中遗传的概率降低。这一结果震撼了整个领域。抗性会导致基因驱动失效吗？

不一定——如果研究人员选择正确的目标的话。一些基因是高度保守的，这意味着这些基因的任何变化都可能会杀死动物。挑选这些基因作为基因驱动的目标意味着更少的突变和更少的抗性。 2018年9月，Crisanti和他的团队以100％的效率破坏了一群冈比亚按蚊（Anopheles gambiae）的名为doublesex的生育基因。基因驱动改造完成后，雌性蚊子不能叮咬人或动物，也不会产卵；在8-12代之内，笼养的蚊子种群根本不产卵。而且因为doublesex基因对生育至关重要，所以该基因发生突变的概率极低，包括那些会能抵抗基因驱动的突变。

Crisanti表示，该团队已进行了9次笼养试验，其中包括针对doublesex的超过一百万次驱动器插入，并且没有看到任何抗性。现在，该团队正在调整基因驱动，以便在doublesex基因上切割两个基因座，就像用药物组合治疗疾病一样。Crisanti表示，他想在野外开展该实验之前，确保动物对基因驱动产生抗性的概率非常非常小。

在哺乳动物中，科学家面临的挑战远比抗性问题复杂。去年，加州大学圣地亚哥分校（University of California，San Diego, UCSD）的Kim Cooper等人设计了第一种哺乳动物基因驱动——一种打断小鼠Tyr基因的驱动器，并将小鼠的黑毛变成白色。Cooper指出，驱动器在基因组中复制自身的效率仅为72％，并且在雄性种系中效果不佳。她怀疑这是因为细胞分裂发生在卵子和精子形成的不同时间，这似乎影响了驱动器从一条染色体成功复制到另一条染色体上的能力。

在该实验中，驱动器没有自我传播，Cooper也没有观察到多代遗传的特性，因此她强调，从技术上来说，这一驱动不能被视为基因驱动。她补充，我们还有很多工作要做，以证明这样的事情是可行的。

基因驱动还有什么用呢？

虽然蚊子还是该领域的主要研究模型，但基因驱动的建议用途还包括保护脆弱的生态系统和加快实验室工作。

有些生物体的基因组难以操作，但插入基因驱动可以帮助研究人员研究它们。以白色念珠菌（Candida albicans）为例，这是一种经常耐药的人类真菌病原体。博德研究所（Broad Institute）和MIT的博士后研究员Rebecca Shapiro开发了一种系统，可以以接近100％的效率驱动真菌突变。她现在可以通过繁殖真菌来沉默两个独立的基因，并将这些突变遗传给后代。现在就职于加拿大圭尔夫大学（University of Guelph）的Shapiro指出，这个系统的工作效率非常高。在UCSD，Cooper正在将基因驱动用于类似目的，以创造和研究小鼠的复杂性状。

遗传生物防治入侵性啮齿类动物（The Genetic Biocontrol of Invasive Rodents, GBIRd）计划希望用基因驱动小鼠做更多的事情，而不是在实验室中研究它们。GBIRd是由非营利组织Island Conservation管理，由大学、政府和非政府组织共同组成的，希望利用该技术消除岛屿上的入侵性啮齿动物，因为外来动物对本地野生动物造成严重破坏。目前采用农药来捕杀这些动物，但药物昂贵，且难以在人口较多的岛屿上使用。GBIRd的项目经理Royden Saah表示，农药仅在大约15％的岛屿上是可行的。他们正在努力研究能够解决其他85％的岛屿上的入侵动物的技术。

德州农工大学（Texas A& M University）的GBIRd成员David Threadgill和澳大利亚阿德莱德大学（University of Adelaide）的Paul Thomas正在开发老鼠基因驱动技术，不过Saah估计，这些驱动技术要成功运作还需要几年。

同时，一些蚊子研究人员希望尝试一些比完全消灭昆虫种群更微妙的方法来预防疾病。在5月的预印本中，Omar Akbari和他在UCSD的同事设计了埃及伊蚊（Aedes aegypti）来表达一种抗体，这种抗体可以保护昆虫抵御所有四种主要的登革热菌株。他们现在把这种抗体附着在驱动器上，看它是否会传播。Akbari还正在构建一个通用的基因驱动系统，当任何病毒（不仅仅是登革热）感染埃及伊蚊时，该系统都会激活毒素。Akbari表示，他们想在蚊子体内制造一个特洛伊木马。当一只蚊子被一种病毒感染时——无论是登革热、子卡病毒、基孔肯雅病毒和黄热病等——病毒就会激活我们的系统，从而杀死蚊子。

基因驱动能被控制吗？

Kevin Esvelt在建立一个基于CRISPR的基因驱动之前，会仔细考虑可能的后果。他意识到，这不仅仅是关于疟疾的问题，这个技术能赋予一个能改造一只果蝇基因的人改造整个群体的基因的能力。

因此，2014年，当Esvelt和遗传学家George Church在哈佛医学院（Harvard Medical School）建立了他们的第一个基因驱动时，他们同时建立了一个反向驱动，以遏制原始驱动。

该领域的其他研究者也在效仿这一做法，开发具有内置控制、外部覆盖或两者兼而有之的基因驱动。美国国防部的研究部门——国防部高级研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）是这项工作的主要资金来源。2017年，美国国防部高级研究计划局的安全基因项目（Safe Genes）宣布，它将花费6500万美元，资助7个美国研究团队研究如何控制、对抗和逆转基因驱动。安全基因项目经理Renee Wegrzyn表示，他们正在减少滥用的可能性，不管是偶然的还是恶意的。

Esvelt在该项目的初始阶段得到了资助，他设计了一种名为雏菊（daisy）的、能自我耗竭的驱动器。这种 “链式”基因驱动机制——把一组基因驱动连接起来，第一个基因驱动切割的切口会被第二个基因驱动占据，第二个基因驱动的切口被第三个占据，以此类推，直到最后一个基因驱动插入染色体，而这个基因驱动就是真正起作用的基因驱动。由于“上游”基因驱动没有被植入染色体，就会在一代代繁衍过程中消散，直到留下了最后的“目标”基因驱动。

在UCSD，Akbari的受DARPA资助的研究小组正在开发一种不会传播到目标群体之外的果蝇和蚊子身上的基因驱动技术。一个这样的驱动需要持续释放很多代。当这些释放停止时，它会被野生型基因稀释，并在四年内自行消失。Akbari表示，如果时间足够长，就会从蚊子种群中消灭一种病毒，如齐卡病毒或登革热。在Akbari看来，这是一种更安全、更有效的方法。研究小组已经为登革热病毒的主要传播媒介埃及伊蚊（A.aegypti）制作了几种版本的驱动器。

Target Malaria小组在DARPA的资助下，也正在制定一项对策，以阻止doublesex驱动在蚊子中的传播。

如何对基因驱动进行试验？

作为野外试验的替代（DARPA安全基因项目明确禁止，研究人员同意该技术尚未成熟），研究小组正在扩大笼子试验，建立生态模型，以探索释放基因驱动改造动物释放到野外的好处和风险。

在意大利中部的特尼镇，Crisanti和Nolan通过不断变化的环境条件丰富了他们的蚊笼。Nolan表示，他们想扩大规模，以便在更现实的情况下，在不同的基因背景下进行测试。 Nolan现在在英国利物浦热带医学院（Liverpool School of Tropical Medicine）经营一个实验室。他和Crisanti想复制自然交配行为——比如雄性为了吸引雌性而形成蜂群——来看看它是如何影响基因驱动的传播的。

Crisanti指出，到目前为止，驱动器在这些笼子中传播的动态“很有希望”，因为驱动器正在有效地传递，没有出现任何抗性的迹象。如果在更大的笼子实验中没有出现任何问题，那么团队将把这项技术移交给独立的小组进行测试，以期在大约三年内获得监管部门的批准。

Target Malaria小组正在建立未来释放地点的生态模型，以计算地面动力学。最近的研究模拟了布基纳法索及其周边国家40,000多个定居点的蚊子种群。该研究考虑了河流、湖泊和降雨，以及蚊虫活动的现场数据。研究结果表明，为了减少昆虫的总体数量，将需要在数年内在村庄内反复引入基因驱动改造过的蚊子，而不是一次性释放。

英国牛津大学（University of Oxford）的人口生物学家Charles Godfray指出，理论上说，一旦释放，它就会扩散到整个大陆。事实上，这种情况发生得非常缓慢。Godfray是Target Malaria的合作者，也是该研究的首席研究员。

另一个关注点是基因驱动有可能改变整个种群，从而改变整个生态系统。分子生物学家和生物伦理学家Natalie Kofler表示，理论上，它们还可能通过使疟原虫进化出更具杀伤力或被另一个宿主携带而对人类健康产生负面影响。Kofler是康涅狄格州纽黑文市耶鲁大学（Yale University）编辑自然（Edit Nature）小组的创始人，该小组旨在解决全球环境遗传技术问题。Kofler认为，这项技术具有巨大的潜力，虽然可以改变事情的发展方向，但这一切我们无法预料。

谁来决定何时使用基因驱动？

对于药物试验，一家公司可以提前一两年开始准备一次现场试验。Okumu指出，基因驱动的试验则需要更多的时间。去年，他加入了由美国国立卫生研究院基金会（Foundation for the National Institutes of Health）组织的一个15人组成的科学工作组，他提出了一系列关于在撒哈拉以南非洲使用基因驱动蚊子的建议。

报告强调，政府、社区和地方科学家将需要时间来吸收科学，并有权管理这项技术。Okumu坚信这一点——最终，做出这些决定的最佳人选是国家本身。

2017年，Kofler召集了一组科学家和伦理学家来解决围绕基因驱动的社会问题。主要问题集中在公平上。Kofler表示，在讨论将基因工程生物释放到非洲环境中时，历史上被边缘化的群体有权参与决策过程。

Okumu希望非洲科学家在当地开发和测试基因驱动技术，这需要资助者的尊重和意愿来支持这些努力。Okumu认为，人们害怕未知，而这种未知都来自于西方国家。他期待有一天，非洲科学家可以在自己的实验室中构建基因驱动，并以此方式获得当地人民的信任。

2018年8月，布基纳法索国家生物安全局（National Biosafety Agency of Burkina Faso）授权Target Malaria释放一种转基因不育雄性蚊子，这是非洲大陆上出现的第一种基因修饰过的蚊子。近日，研究小组释放了大约有6, 400只经过基因改造，但没有携带基因驱动的蚊子。科学家希望这次发布能够改善人们对这项研究的认知，并为将来的释放提供数据支持。

虽然基因驱动小鼠的释放还很遥远，但GBIRD已经在与风险评估师、伦理学家和生态学家合作，为初步的实地试验选择一个岛屿。Saah指出，我们要确保我们做得对。无论技术发展多么迅速，我们都需要推进社会科学和伦理。

原文检索：
Megan Scudellari. (2019) Self-destructing mosquitoes and sterilized rodents: the promise of gene drives. Nature, 571: 162-164.
张洁/编译

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