JAX实验室利用基因工程技术改造小鼠,以JAXR Mice为注册商标,并将其出售给研究人员。它喜欢这样自夸:这是全世界质量最好和发表次数最多的小鼠模型。为该实验室评估和研发新技术的Michael Wiles相信,这个由细菌和古生菌用于保护自身免受病毒侵袭的免疫策略巧妙改编而来的新工具将使JAX改造小鼠的方式发生革命性变化。
长久以来,JAX和其他培育新的小鼠品系的实验室依赖于一个辛苦费力的多步骤过程,其中涉及利用基因工程技术改变小鼠的胚胎干细胞,将其注射进胚胎,并且培育若干代小鼠。即便是JAX最好的团队,也需要用2年时间才能成功改造一只小鼠。CRISPR利用一种可在受精卵上开展针对性基因手术的分子复合物替代了所有这一切。它能在6个月内产生一种被改造的小鼠。
“当你在以前培育基因敲除小鼠时,需要具备一些技能。”来自麻省理工学院的Rudolf Jaenisch表示,“现在,你不再需要这些技能。任何傻瓜都能做。”
研究人员不再需要改造胚胎干细胞并不辞辛苦地培育若干代小鼠,以产生卵子或精子细胞中携带基因突变的小鼠。同时,研究人员若想培育拥有两个突变的小鼠,也不再需要将单突变体杂交并经历一个类似的耗时且烦琐的流程,以获得拥有被改变生殖细胞系的小鼠后代。
加拿大多伦多大学生物化学家Tak Mak认为,此项技术真正改变了获得这些被改造动物的时间和效率。据他估测,和利用胚胎干细胞相比,利用CRISPR改造小鼠的花费要便宜30%左右,从而使他的平均成本大大降低。
CRISPR革命不只限于培育拥有生殖细胞系突变的小鼠。CRISPR还允许研究人员同时使若干疑似癌症基因在成年小鼠体细胞中发生突变。与此同时,CRISPR敲入可修正成年小鼠体内引发疾病的基因缺陷。若干研究小组计划将CRISPR注射进正在发育的小鼠体内,目标则是创建可发挥条形码作用的突变并且使科学家得以追踪细胞分化时的细胞谱系。
不过,从某个方面来说,CRISPR革命步履蹒跚。在Jaenisch实验室首次报告CRISPR的3个月后,他和同事提出,CRISPR可轻易实施更加复杂的基因手术,即敲入DNA片段而非简单地令基因丧失功能。作为示范,他们利用CRISPR将荧光标记敲入小鼠受精卵。当特定基因被开启时,荧光标记便会亮起。研究人员还创建了对很多研究来说至关重要的条件突变体。
约1/3的小鼠基因对于胚胎发育是必不可少的。如果这些基因从一开始就丧失功能,小鼠便不会诞生。因此,利用胚胎干细胞开展研究的科学家巧妙地设计出一种被称为Cre-Lox 重组的系统。该系统仅在小鼠发育到足以在失去上述基因仍能存活下来后才会将基因敲除。这需要添加额外的DNA:位于靶基因两侧的Lox序列和一个Cre基因。其中,Cre基因可被启动,以产生一种酶,用于修改Lox位点之间的DNA。Jaenisch团队利用CRISPR将同一系统插入受精卵,并且报告称以相对较高的效率培育出条件小鼠——约16%的受精卵产生了拥有正确突变的小鼠幼崽。但在JAX实验室,产生拥有正确突变的小鼠幼崽的受精卵仅占1%或2%。同时,很多项目正走向失败。很明显,它并未被证实为一种稳健的方法。”
无论目前CRISPR看上去有何种缺点,Wiles强调说,它在改造小鼠方面的潜力不应当被忽视。“CRISPR能做的事情有很多,而我们才刚刚开始入门。”