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Whitehead研究所的创始人Rudolf Jaenisch,曾在1974年成功构建出第一只转基因小鼠,由此改变了遗传学的研究模式。近日他在《细胞》(Cell)杂志上发表的一项新研究成果,将再次彻底改变遗传工程动物模型的构建方式,甚至有可能重新定义哪些物种可作为模式生物。
Jaenisch 说:“这种新方法颠覆了游戏的规则。我们现在可以在3-4周的时间内构建出携带5种突变的小鼠,而采用传统的方法这需要3-4年的时间。并且这种方法相当的简单,甚至比传统的方法还要简单得多。”
科学家们通过改变与特定疾病相关的特异基因,构建出小鼠模型。利用这种模型,科学家们可以研究疾病的发展和进程,以及各种遗传和化学干预所产生的影响。在过去的20年里,构建这种模型的方法相对没有发生什么改变:即科学家们将一段DNA插入到小鼠胚胎干(ES)细胞中,然后将修饰细胞注入到称作为胚泡(blastocyst)的极早期胚胎中,再将发育中的胚胎移植到代孕雌鼠体内。整个过程需要花费数年时间及数万美元才能构建出一种单拷贝基因“敲除”小鼠品系。且这样的基因敲除只能在极少数的物种中完成,其中包括小鼠和大鼠,这是因为它们的ES细胞可以进行可靠地培养和基因修饰。
Jaenisch实验室的科学家们所采用的这种新方法,可以绕过ES细胞,快速有效地生成多个基因双拷贝均有突变的小鼠。在这篇新的Cell文章中,Haoyi Wang、Hui Yang和Chikdu Shivalila描述了他们的新技术,它是以某些细菌利用来抵御病毒攻击的一种系统为基础。
这是第一次利用这种称作CRISPR/ Cas的系统,在一个多细胞生物体内改变多个基因。Shivalila说这一过程操作非常简单,他预计其他的实验室将能够迅速地采用它。
Shivalila 说:“由于其更快速且高效,我们认为对于任何具有核心设施的机构或大学,这将成为他们着手构建携带特异突变小鼠的一种方法。我们惊讶地发现,我们能够非常非常有效地(效率大约为80%)在4个位点‘敲除’两个基因。而如果我们使用TALENs,只敲除一个基因,其效率大约为30%。”
ES细胞是传统方法生成模型的一个限制条件,而CRISPR/Cas技术甚至不需使用ES细胞,就可以生成突变小鼠。这或许可使得遗传学研究不再局限于具有ES细胞的有限模式生物。
Haoyi Wang说:“这打破了对模式生物的定义。因此现在,即使只有有限的资源,通过确立的胚胎操控程序,任何动物都可以成为基因组工程受试者。利用大量的测序动物基因组,我们可以采用这一技术在更多的物种中建立有效的遗传操作,研究每种物种独特的生物学,更多地了解生物进化。”
尽管该研究小组还只利用CRISPR/Cas构成出小鼠模型,他们对于将其扩展应用于其他的动物也非常的该兴趣。
Hui Yang 说:“我们还需要了解CRISPR/Cas系统是否存在任何意外的,不希望存在的脱靶效应,导致基因组发生我们不希望看到的改变。因此,我们还需要开展研究进一步确定这一系统的精确性。我认为这将是一段要走的路。”