成功改寫蟑螂基因 日本科學家打開基因編輯昆蟲的大門

CRISPR基因編輯問世後帶來DNA科技的革命,這項技術應用在許多動植物上,但有一種頑強的生物至今還難以被CRISPR所駕馭。不久前,日本科學家興奮地宣布,他們終於成功修改了這個物種的基因體。

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基因修改的蟑螂誕生

本周一(16),科學家宣布研究出簡單又便宜的基因編輯方法,可以用來編輯生活中大多數昆蟲的基因。

這項技術由日本京都大學(Kyoto University)的科學團隊研發,他們首次嘗試以CRISPR-Cas9的技術成功編輯了蟑螂的基因體,誕生了首隻「基因剔除蟑螂」(knockout cockroaches)。該研究成果發布於在生命科學期刊《細胞報導方法》(Cell Reports Methods)上。

圖為京都大學科學團隊基因編輯蟑螂時採用的新方法,將遺傳物質注射進雌性蟑螂的體內,而不是蟑螂的受精卵中,達到基因操作。

CRISPR基因剪刀

CRISPR-Cas9通常簡稱為CRISPR,又被稱為基因剪刀,是近十年發明的著名技術。透過Cas9蛋白質精準地切割生物體內選定的DNA序列,並引入人工合成的DNA,藉此達成基因編輯的目標。

這個革命性的編輯基因工具為癌症、遺傳性疾病、異種器官移植的療法帶來嶄新的突破,發現這個技術的兩位科學家——夏彭緹耶(Emmanuelle Charpentier)與道納(Jennifer Doudna),也在2020年榮獲諾貝爾化學獎。

以往昆蟲基因編輯 難上加難

CRISPR的技術迄今已大量應用在許多生物實驗上,例如,科學家研究出帶有抗瘧疾基因的蚊子,並能將這個基因傳遞給下一代,期盼一勞永逸地遏制瘧疾。不過,CRISPR這個技術應用到昆蟲身上時卻遇到諸多的限制,因為科學家如果想編輯昆蟲的基因,就必須將遺傳物質(genetic materials)注射進昆蟲的胚胎裡,而有些昆蟲的胚胎天生受到了硬殼的保護,像是蟑螂的卵就被一層堅硬的外殼防護。當科學家想對某些昆蟲進行基因編輯時,往往費時費力,有時也束手無策。

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為基因工程帶來曙光

京都大學以CRISPR為基礎,開發出了新的方法,可以繞過大部分昆蟲卵所帶來的限制,而將基因編輯的技術成功用在生活中約90%的昆蟲上。

「某種意義上,研究人員總算能擺脫昆蟲卵難以被注射的煩惱,我們將能更自由地編輯昆蟲的基因體。」參與此次研究的京都大學農學研究所教授大門高明說道。

從雌性蟑螂下手

京都大學的新方法稱為「直接親本CRISPR」(direct parental CRISPR),簡稱DIPA-CRISPR。過去,科學家要努力想辦法把遺傳物質注射進昆蟲卵,但京都大學的研究人員所採用的方式,則是直接將遺傳物質注射進成年的雌性蟑螂的血腔(haemocoel)內。

透過這種方法,當雌性蟑螂體內注入遺傳物質後,牠所孕育的蟑螂卵便會生出基因編輯過的蟑螂後代,而這個編輯過的基因也會隨著後代的交配,繼續傳遞下去。

出現了 白色的眼睛

此次研究的主要作者、京都大學研究人員白井雄在研究中寫道,他們將帶有白色眼睛的基因注入俗稱德國蟑螂的德國姬蠊(Blattella germanica)身上,並觀察到出生的德國蟑螂後代有21.8%出現白色眼睛的特徵。

白井雄的團隊隨後把同樣的方法應用在一種紅色的麵粉蟲——擬榖盜(Tribolium castaneum)上,並得出50%的後代身上出現基因編輯後的樣態。

與昆蟲一起迎向光明的未來

DIPA-CRISPR的方法替研究昆蟲基因工程的道路上,開闢了一條新的途徑。京都大學的科學團隊期盼這個方法對農業害蟲與控制上有更多幫助,也可以協助一些發展中的國家,開發出可食用的昆蟲。

不忘最後的小小叮嚀

不過,也由於這種新的方法過於簡單且更加的方便,大門高明敦促未來的科學家們在使用這個方法時務必嚴格遵守規範,必須在完全封閉的實驗環境中進行,避免基因編輯過的昆蟲逃跑。

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