科学者は CRISPR を使用して、XNUMX 万年にわたる進化をわずか数か月に凝縮

プラトン再発行

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好奇心旺盛な目、毛むくじゃらの鼻、青々とした毛皮を持つこのネズミは、小竹 (小竹) と呼ばれ、竹の茎に素早くとまり、カメラに向かってかわいいポーズをとっています。しかし、このネズミは自然界には存在しません。

北京の研究室で作られた Xiao Zhu は、遺伝子工学と合成生物学の可能性の境界を押し広げます。通常の 20 対の染色体を保有するのではなく、マウスとその兄弟コホートには 19 対しかありません。異なる染色体の XNUMX つのチャンクが大胆な実験で人工的に融合されました。個々の DNA 文字または複数の遺伝子を微調整するのではなく、既存のゲノムプレイブックを大規模に再調整し、同時に大量の遺伝物質のブロックをシャッフルできますか?

ムーンショットのアイデアです。ゲノムが本である場合、遺伝子編集はコピー編集のようなものです。あちこちでタイプミスを変更したり、慎重に配置された微調整で複数の文法エラーを修正したりします。

染色体レベルのエンジニアリングは、まったく別の獣です。それは、複数の段落を並べ替えたり、記事のセクション全体を移動したりしながら、同時に、変更によって次世代に引き継がれる機能が追加されることを期待するようなものです。

人生を再プログラミングするのは簡単ではありません。 Xiao Zhu の DNA 構造は、何年にもわたる進化の圧力によってすでに最適化された遺伝子文字から構築されています。確立されたゲノムの本をいじくり回すと、生命が存続不可能になることが多いのは当然のことです。これまでのところ、染色体の再調整を生き延びたのは酵母だけです。

　新しい研究、に発表されました科学、マウスの技術を可能にしました。チームは、マウスの染色体の塊を人為的に融合させました。 XNUMX 番染色体と XNUMX 番染色体から作られた XNUMX つの融合ペアは、健康なマウスに成長する胚をサポートすることができました。驚くべきことに、この正常な遺伝学への地殻変動があったとしても、マウスは、操作された遺伝的特異性を再現し、子孫の第 XNUMX 世代に伝えることができました。

「世界で初めて哺乳類の完全な染色体再編成を達成し、合成生物学に新たなブレークスルーをもたらしました。」と中国科学院の研究著者である Wei Li 博士は次のように述べています。

ある意味で、この手法は猛烈なスピードで進化を模倣しています。突然変異率に関する既存のデータに基づくと、ここで導入されたタイプの遺伝子スワップが自然に達成されるまでには、一般に数百万年かかる.

研究は完璧ではありません。操作されたマウスの一部の遺伝子は異常に調整されており、統合失調症や自閉症で通常見られるパターンに似ています。マウスは成体まで成長し、健康な子を産むことができたが、出生率は、操作されていない仲間よりもはるかに低かった。

それにしても勉強は力作で、とシアトルのフレッド・ハッチンソンがんセンターの進化生物学者ハーミット・マリク博士は、この研究には関与していませんでした。私たちは今、ゲノムの変化に関する未解決の問題に大規模に取り組み、染色体疾患に光を当てる可能性があるこの「美しいツールキット」を手に入れました。

待って、再び染色体とは何ですか?

この研究は、新しい種を構築するための進化論の長年にわたる遺伝的プレイブックを利用しています。

バックアップしましょう。私たちの遺伝子は、細胞内に浮かぶリボンに似た DNA 二重らせん鎖にコードされています。スペース効率が良くありません。自然界の解決策は、モッツァレラチーズのスティックの上に生ハムのスライスをくるくる巻くように、各鎖をタンパク質のスプールに巻き付けることです。さらにひねると、これらの構造が小さなパック (紐に付いた絵のビーズ) に詰め込まれ、染色体に巻き付きます。顕微鏡下では、それらはほとんど文字 X のように見えます。

それぞれの種は一定数の染色体を持っています。精子と卵子を除く人間の細胞はすべて、46 対に配置された 23 個の個別の染色体を保持しており、それぞれの親から受け継がれています。対照的に、実験用マウスには 20 ペアしかありません。染色体の完全なセットは、ギリシャ語の「カーネル」または「シード」に由来する核型と呼ばれます。

染色体の混合と適合は長い間進化の一部でした。現在の推定によると、げっ歯類は一般に、3.5 万年ごとに約 XNUMX 回の染色体再編成を蓄積します。一部のセグメントは削除され、他のセグメントは複製またはシャッフルされます。霊長類の場合、変化率はその約半分です。染色体の塊を移動させることは、どの動物にとっても劇的に思えるかもしれませんが、実行可能な場合、変化は完全に異なる種への進化への道を開きます。たとえば、私たちの XNUMX 番目の染色体は XNUMX つの別々の染色体から融合されましたが、その微調整は、私たちの近縁種であるゴリラには存在しません。

新しい研究は、進化よりも優れたものを行うことを目的としていました.遺伝子工学を使用して、何百万年もの進化をわずか数ヶ月に凝縮できるでしょうか? 科学的な好奇心のためだけではありません。染色体疾患は、小児白血病など、最も困難な医学的難問の根底にあります。科学者たちは以前、放射線を使って染色体の再編成を引き起こしたことがありますが、その結果を簡単に制御することはできず、動物が新しい子孫を産むことができませんでした。ここで、合成生物学者はより的を絞ったアプローチを取りました。

最初のステップは、なぜ染色体が組織の大きな変化に抵抗するのかを解明することです。結局のところ、染色体の塊を交換または融合する際の大きな問題は、刷り込みと呼ばれる生物学的な癖です。

私たちは両方の親から染色体を受け取り、各セットには類似した遺伝子が含まれています。ただし、オンになっているのは XNUMX セットだけです。刷り込みのプロセスがどのように機能するかは謎のままですが、胚細胞が複数の種類の成熟細胞に発達する能力が損なわれ、遺伝子工学の可能性が制限されることがわかっています.

背中2018において、同じチームは、XNUMX つの遺伝子を削除すると、幹細胞のインプリンティング生化学プログラムを無効にできることを発見しました。ここでは、これらの「ロック解除された」幹細胞を使用して、XNUMX つの染色体ペアを遺伝的につなぎ合わせました。

彼らはまず、マウスゲノムの中で最大の XNUMX 番染色体である XNUMX 番染色体と XNUMX 番染色体に注目しました。チームは CRISPR を使用して染色体を切り刻み、遺伝子の塊を交換して、安定した遺伝子構築物に再形成できるようにしました。次に、染色体の変化を含む細胞を卵母細胞 (卵細胞) に注入しました。得られた胚を代理雌マウスに移植して、さらに成熟させました。

スワップは致命的でした。 2 番染色体の後に 1 番染色体、つまり 12+1 が続く人工染色体は、受胎後わずか 2 日で発育中の胎児を死に至らしめた。反対方向、19+XNUMX で融合された同じ XNUMX つの染色体は運が良く、わずか XNUMX 組の染色体ペアを持つ生きた子犬が生まれました。赤ん坊のマウスはそのサイズに対して異常に大きく、いくつかのテストでは、通常の仲間よりも不安そうに見えました。

4回目の染色体融合実験はうまくいきました。染色体 5 と 4 はサイズがはるかに小さく、結果として生じる胚 (5 + XNUMX と呼ばれる) は、健康なマウスの子に成長しました。染色体ペアも欠けていましたが、驚くほど正常に見えました。彼らはそれほど不安ではなく、平均的な体重を持ち、成熟すると、染色体のペアも欠けている子犬を出産しました.

言い換えれば、チームは、世代を超えて受け継がれる可能性のある哺乳類種の新しい核型を設計しました。