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哺乳动物中首次实现“基因驱动”,可用于清除物种入侵

DeepTech深科技  · 公众号  · 科技媒体  · 2017-02-18 14:14

正文



适用于小鼠的进化扭曲技术为“合成”物种保护奠定了基础。


一些与美国保护组织合作的科学家声称,他们 首次成功地在哺乳动物中建立了一种称为“基因驱动”的进化扭曲技术 ,并且可以利用它来消灭在岛上抢夺海鸟生存空间的侵入性啮齿动物。


何为基因驱动技术?它是一种可以修饰DNA遗传的方法,可以使野生动物的遗传物质发生改变,最后甚至导致该种族数量骤减,然而到目前为止只在昆虫和酵母中被证明有效。



目前有分别来自澳大利亚和德克萨斯州的两个科学团队表示,他们对家鼠进行了基因编辑,使其基因组包含了野生种群的一些基因特征。这些改良的啮齿类动物在最近两个月才出生,因此还未有实验结果。


另外,在哺乳动物身上建立基因驱动模型还得益于一个“保护岛屿”行动的支持和努力。这是一个来自加州圣克鲁兹的保护组织,他们的座右铭是“防止灭绝”,并专长于在岛中广撒杀鼠剂来拯救濒危海鸟。

但是 杀鼠剂不能在大型或人口稠密的岛屿上用来杀灭啮齿类动物 ,这也是基因驱动技术被该组织看好的原因。 “我们正在寻找一些真正有创造性的方法”,该项目主任卡尔·坎贝尔说。如果当局允许该项目计划的话,每年则可拨出约700万美元,让他们能够在一个偏远的岛屿上进行初步试验,以加快技术开发进程。


坎贝尔说,他们正在努力运用基因驱动技术创造出只能繁育雄性后代的家鼠。 性别倾斜效应将大幅度降低岛上的家鼠数量,甚至有可能降为零。


小鼠是一种早期就被用于“合成保护”实验的模式生物,在“合成保护”实验中,基因工程被视为是恢复灭绝动物的手段,因为其可以为具有浅基因库的濒危物种实施遗传再注入,或消灭侵入本地植物或动物的害虫。


此外,众所周知啮齿动物是高居麻烦制造者名单榜首的动物。比如,它们会随着遇难船或水手的到来而在海洋岛屿中迅速繁殖,从而危害当地的海鸟。其中很多的问题和麻烦是大鼠引起的,但是小鼠的破坏力也一样强。曾经有录像拍摄到太平洋岛屿上有大量信天翁幼雏被小鼠咬伤。

然而,该组织的计划已在生态学家中产生了辩论,其中一些科学家认为这是一种可怕的改造自然的方法,如环境律师Claire Hope Cummings说:“ 保护意味着关心自然世界,而非重新改造自然世界 。”由于“岛屿保护”对基因驱动工作的积极态度,她放弃了对该组织的支持。


此外,即使是基因驱动技术的支持者也指出,这项技术需要非常仔细的研究和谨慎的部署,最后的结果也可能无法像宣传的那样有效。去年,美国国家科学院还建议应缓慢进行实验,指出“少数几个实验室的证明”不足以“支持将基因驱动改造的生物体释放到环境中的决定”。


然而,其实这项技术仍具有很大潜能。从19世纪开始,新西兰的无羽鸟泛滥成灾,而且他们在今年宣布计划通过消灭数亿的大鼠、负鼠和鼬鼠来实现30年内“无捕食者”的目的。新西兰国议会表示,基因驱动是能够让他们实现目标的重要“突破”的技术。


“毫不留情?这就是我们将做的。这项技术会带来显著的结果”,坎贝尔说,“一旦我们在岛屿上实现了这项技术(很显然大鼠也入侵大陆地区),如贫民窟也可以运用这项技术。”


亚当和夏娃


人类第一次实现的基因驱动是于2015年在果蝇中展示的。接着几个月之内,这个概念就已经扩展到了蚊子,并且凭此已获得比尔·盖茨的$ 7500万资助,因为比尔〮盖茨相信灭蚊能够根除非洲的疟疾。


所以这只是一个时间问题,事实证明不到两年,这项技术就即将应用到哺乳动物身上。


与Island Conservation合作的两个科学家团队同意向《麻省理工技术评论》展示其技术进展的程度,并指出需要在对众开放而不是封闭的情况下来开发这个强大的基因驱动技术。


“这是讨论技术风险的最佳时机”, 澳大利亚阿德莱德大学的小鼠遗传学家保罗·托马斯说。“我们还要看看它是否真的有效,以及有效性和稳定性如何。”

托马斯说他和他的学生利用了强大的DNA编辑技术CRISPR来创建基因驱动小鼠。为了实现这一点,澳大利亚人将CRISPR打造成一个“自我基因”,使其可以将其自身传递给几乎所有的后代,而不是仅仅一半。为了追踪这个基因,他们还附加了荧光蛋白,因此在近紫外光下,继承这个基因的小鼠都会发出红光。


鉴于有评论者担心基因驱动的生物体可能会逃离实验室,托马斯指明他的实验室已采取了预防措施来防止意外事故,包括设计安全特征,使得基因驱动器不能传递给野生小鼠。他在一月份的时候告诉我,他将开始繁殖第一批实验动物,以确定该驱动器是否按设想工作。这一个步骤因为涉及好几代小鼠,因此大概需要几个月时间。“我们已经有了亚当和夏娃,下面一步就是要得到孩子们”,他说。


位于德克萨斯A&M大学的另一个团队是由小鼠遗传学家DavidThreadgill领导的,他说他的实验室已经设计了第一代“不产女儿”的小鼠。有些正在繁殖,以确定是否只生产雄性的这一性状会传递给子孙后代。


Threadgill的实验室使用了一个不同的基因编辑技术,而不是CRISPR。他们所利用的基因编辑技术是利用天然存在的称为“t复杂体”的一组基因。这个遗传元件也可以设法通过破坏不包含该元件的精子来自私地传播自身,而不破坏含有该元件的精子,从而产生受精卵和后代。而且,t复合物已经存在于许多野生小鼠中。


为了使小鼠不生产雌性后代,Threadgill的团队又引入了一个额外的修改。它们连接到t-复合物上和Sry的额外拷贝上,其中Sry是在Y染色体上发现的基因,并且是确定哺乳动物是否是雄性的依据。如果基因驱动器按预期运行,那么在几个星期内结果就能很清楚 - 10只小鼠中将会有超过9个小鼠继承了Sry及雄性性器官。接着,如果在一个岛上释放足够多的这种小鼠,就可以在几个月内形成只有“米奇”没有“米妮”的小鼠数量结构,从而引起灭亡。


大鼠岛


“岛屿保护”组织是在20世纪90年代成立的,这个组织过去的功绩包括消灭猫类、山羊甚至加利福尼亚州的野生驴,这些事迹都能在一本记载岛屿清除的书《大鼠岛》中所找到。此外,从这本书中记载的数据可知,截至目前,得益于这个组织的努力, 啮齿类动物已从500个岛屿中被消灭了。


然而这个保护组织的问题是,其过分依赖于溴鼠灵的使用。溴鼠灵是一种比大鼠毒物杀鼠灵毒性更强100倍的毒物。啮齿动物一旦食用溴鼠灵就会流血而亡。而且任何秃头鹰和海鸥也会因为不幸食用了中毒猎物而死亡。


从理论上分析,基因驱动是解决上述问题完美的方案。因为它只会影响一个物种,而且是完全无痛的。但是一些科学家警告说, 这项技术可能永远不会呈现预期结果


这些已经蜕变的实验室小鼠放在小岛后很容易被猛禽抓住。并且雌性野生小鼠可能能够嗅出实验小鼠的基因驱动,逃避甚至发展成抵抗。新西兰奥塔哥大学的一个研究员Neill Gemmell说:“我认为实际上有很多事情可能会出错。如果你认为你只是释放一些东西而他们会帮你完成这项根除活动,这很可能是一个很大的错误。”


“岛屿保护”组织最初表示计划在2020年前尝试进行海上测试,但后来因为考虑到开放式技术和监管问题而撤回了该测试。


这不是说Gemmell对此不感兴趣。在2016年,新西兰政府正式启动了“2050 无捕食者” 这个雄心勃勃的计划,意图杀死在其268019平方千米的领土里的所有大鼠、负鼠和鼬鼠。并且项目文件称基因驱动具有一个“现实的前景”,而且Gemmell是其委员会成员。


Gemmell说,同时使用基因攻击、毒物和陷阱可能是确保根除可以“廉价且快速地”实现的唯一方法,但是这个设计存在的障碍看起来确实令人望而生畏。即使驱动器在小鼠中能够工作,也没有人曾经在基因工程之前编辑过负鼠或鼬鼠。此外,繁殖中心能够在短时间内养育上千的基因编辑动物吗?而且,因为负鼠每年只繁殖一次,如果要在负鼠身上实现这项技术可能需要很多年乃至数十年。


如果没有广泛的公众支持,基因驱动器的研究将无法向前推进。鉴于它在保护论者中引起了分歧,可能很难赢得广泛的公众支持。比如地球之友等团体,他们对任何基因工程都深感怀疑,并且声称基因驱动是“对生物多样性丧失的真正问题错误解决”的方法。


另一个的环境律师Cummings(她同时是一本批评转基因生物书作者)说,她也对以雌性小鼠为目标的计划感到震惊。“使任何生物不产生雌性后代是一个问题”,她说,“完全‘消除女性’的概念需要从哲学和伦理角度来看待”。当Cummings听了岛屿保护委员会的论点后说,她得出的结论是,保存海鸟免受小鼠攻击是被用来“粉刷这种技术,给其以道德涵盖,使其能够堂而皇之成为世界上最危险的生物武器”的噱头。


双方去年多次辩论,最近一次是12月份,在联合国“生物多样性公约”坎昆会议上,其中包括地球之友和ETC集团在内的活动家召集了约170个民间社会团体呼吁暂停基因驱动。还有一封由杰出人士包括灵长类动物学家简·古道尔等签名的信件警告说,“种族屠杀基因”可能会产生“超出我们的理解的结果”。

编辑:Chunjing_B










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