科學也可以如此靠近

我的小鼠怎麼「變性」了?!一場意外,竟給唐氏患兒帶來希望


2018年6月21日17時 今日科學 果殼網
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作者:鬼谷藏龍

編輯:明天

中科院神經所的博士後左二偉可能從沒想過,自己一個無心插柳的實驗竟能帶來如此不可思議的收穫。

時光回溯到2015年四月,當時的左博士正在研究如何利用剛問世不久的CRISPR技術敲除小鼠Y染色體中的基因。Y染色體非常特殊,傳統技術對敲掉它的基因無能為力,而左博士希望新技術可以幫助他突破這個瓶頸——逐一敲除Y染色體中的基因,以便理解這些基因各自的功能。

結果非常喜人,CRISPR果然能高效地敲除小鼠受精卵中Y染色體上的基因。有的基因被敲除之後能讓小鼠出現弱精症,有的則會令小鼠生殖器發育不良,一切都很順利,實驗結果也基本能和前人的研究對得上號<1-2>。

敲到最後,Y染色體上只剩下三個還不曾嘗試敲除過的基因——Ssty1、Ssty2和Rbmy。然而,就在敲除這三個基因的時候,發生了很詭異的事情……

變性的小鼠

簡單來說,這三個Y染色體基因無論敲除哪一個,都好像會讓小鼠「變性」——生下來全成了雌的。雖然科學家對這幾個基因了解還不多,不過一般認為,它們也就能稍微調節一下雄性的生育力而已,再怎樣也不至於讓小鼠變成「女裝大佬」呀。

跟導師討論了一番後,一個有點離經叛道的想法冒了出來:

Y染色體該不會整個都沒了吧……

左博士立刻著手做了一系列檢測。果不其然,那些變性的小鼠的性染色體只剩下了孤零零的一條X染色體,Y染色體全都找不到了!

人類有時候也會出現性染色體只剩下一條孤獨的X染色體的情況,這在醫學上稱為「特納氏綜合徵」。這類患者出生時有著女性的外表,但是不會發育出第二性徵,更不能生育,基本可以視為無性人。而小鼠與人類的情況則稍有所不同,只有一條單獨X染色體的小鼠和正常雌性小鼠(有兩條X染色體)基本沒啥不同,一樣可以發育和生殖。

只有一條單獨X染色體的小鼠(左側標XO者)和正常雌性小鼠(右側標XX者)都有正常的雌性外生殖器(綠色箭頭)和乳頭(紅色箭頭)。圖片來源:參考文獻<3>

為啥敲除這三個基因能讓整個Y染色體都跟著陪葬呢?左博士想到了這三個基因的一種非常奇怪的特徵。

無論是人類還是小鼠的大部分基因都只有一份拷貝,存放在染色體的某個特定的位置上,而Ssty1、Ssty2、Rbmy這三個基因則不一樣,它們有很多拷貝,均勻地散布在整條Y染色體當中。敲除基因的時候,CRISPR就像是基因精確制導飛彈,對於一般的基因來說,定點打擊,破壞掉目標基因便大功告成了。但是對於Ssty1之類的多拷貝基因,情況就不同了。CRISPR會無差別地打擊Y染色體上這些基因的每一個拷貝。染色體就像是一座房子,你在牆上打一個洞,修修補補也能恢復如初,但要是你把這房子直接打成個篩子,那它就只有垮掉的份了。遭受重創的染色體也很難在如此嚴重的破壞中恢復過來,只能被細胞當成垃圾清理掉。所以,整個Y染色體都沒了。

對擁有XY染色體的細胞(XY),可以用DNA-FISH技術給X染色體打上紅色標記,Y染色體打上綠色標記,成功敲除Y染色體的細胞(XO)當中Y染色體不復存在了。圖片來源:參考文獻<3>

左博士突然意識到,人類似乎還從未想過能在細胞中「刪除」一整條染色體。這下,想不搞個大新聞也不行了。

敲掉一整條染色體

科學家嘛,總得跑得比所有人都快才行。在接下去的一段時間裡,左博士幾乎到了茶飯不思的地步,甚至曾連續三個星期寸步不離實驗室,餓了就託人給他買個餅吃,睏了就趴桌子上打個盹。

左博士首先要搞清楚的問題是,這樣的手段是只能敲除Y染色體呢,還是什麼染色體都能敲。畢竟,Y染色體個頭最小,而且缺乏自我修復機制,別的防高血厚的染色體可不見得吃這一套呀。於是,左博士先拿另一條性染色體——X染色體——試了試水。果然,也沒問題。

那接下來,就要考慮些實在的東西了。

大家可能聽說過一種叫做「唐氏綜合徵」的疾病。這種疾病還有一個名字,叫做「21-三體綜合徵」。什麼意思呢?一般人只有兩條21號染色體,而唐氏綜合徵患者細胞中有三條,多了一條21號染色體。唐氏綜合徵是造成新生兒染色體異常疾病中最多見的一種,發生率高達1/600 –

1/800。唐氏綜合徵患者智力低下,且常常合併心臟畸形、唇齶裂等,給家庭和社會都會造成不小的負擔。

唐氏綜合徵患者智力低下,且常常合併心臟畸形、唇齶裂等,給家庭和社會都會造成不小的負擔。圖片來源:wikipedia | 攝影:Vanellus Foto

目前常規的產前檢查項目在預防唐氏綜合徵方面,主要以抽血檢測「唐氏篩查」為主。對於結果異常或存在其他高危因素的孕婦再進一步進行「羊水穿刺」。然而,唐氏篩查的準確率只有60% -

70%,這意味著即便做了規範的產前檢查,依然有很多患有唐氏綜合徵的胎兒不會被檢出,以至於孕中晚期胎死宮內,或者最終生出有缺陷的孩子來<4>。「羊水穿刺」雖然準確率高,但也存在感染、羊水泄漏,甚至誘發流產等風險<5>。

那能不能直接用CRISPR敲掉「唐氏綜合徵」患者那條「多餘」的21號染色體呢?

為了驗證這個想法,左博士找來了唐氏綜合徵患者的細胞,將它們養在培養皿里。他將自己設計的敲除21號染色體的CRISPR系統轉入這些細胞中,果不其然,經過一段時間的培養和篩選後,這些細胞的21號染色體數量逐漸恢復了正常。

在體外培養的人類唐氏綜合徵細胞(左圖)中,所有細胞都是三個21號染色體(,綠色箭頭標記)經過染色體敲除後,大部分細胞都只剩下了兩個21號染色體(右圖)。圖片來源:參考文獻<3>

更妙的是,左博士所設計的染色體敲除系統不但高效便捷,而且還「短小精悍」,可以包裝到諸如腺相關病毒(AAV)之類的病毒遞送系統里。病毒就是自然界天然的「基因快遞小哥」,可以把基因投送到動物的細胞內。因此,理論上,這套CRISPR染色體敲除系統完全可以用來糾正已經出生的「唐氏綜合徵」患兒的21號染色體數量。目前,左博士所在的楊輝實驗室就正在全力以赴,攻克治療唐氏綜合徵的難關。

未來的方向

理論設想雖如此,前方的道路依然充滿了艱辛,還有很多困難亟待解決。之前的Y染色體在動物體內獨一無二,下狠手去敲就是了。但「唐氏綜合徵」患者的三條21號染色體長得基本一樣,用力過猛就難保矯枉過正,把三條都給搞沒了,豈不是治病不成還反要了人命麼?

左博士和同事們(也包括我)也正試圖解決這個「特異性」的問題。人體內的兩組染色體一組來自父親,一組來自母親,正常情況下,父母的基因是有一定差別的,因此分別來自父母的兩條21號染色體也應該有一定的差別。我們正是從這點著手,試圖設計出能夠專門針對某一條21號染色體的敲除方案。

說實在的,這是我加入到楊輝實驗室以來所見過的最「難產」的論文——不但是科研本身幾乎就是整個團隊在燃燒生命,後期歷時一年半有餘的投稿過程更是一言難盡。最終,這項凝聚著無數人期盼的工作也沒有發到大家心儀的期刊上,那種失望之情至今記憶尤深。然而後來,這項研究受到媒體關注後,有一些「唐氏綜合徵」患兒的家長給課題組發來郵件,說這項研究又讓他們重新燃起了希望。我們突然感受到了這一切的意義。

人生能有多少回奮鬥,有幸能用辛勞讓世界稍微變得更好一點點,為那麼一小群人點燃一點點微薄的希望。挺好,挺好。

(編輯:明天)

感謝飛刀斷雨對本文的幫助。

參考資料:

Zuo, E., Cai, Y. J., Li, K., Wei, Y., Wang, B. A., Sun, Y., & Huo, X. One-step generation of complete gene knockout mice and monkeys by CRISPR/Cas9-mediated gene editing with

multiple sgRNAs. Cell Research, 2017 Jul;27(7):933-945.

Wang, H., Hu, Y. C., Markoulaki, S., Welstead, G. G., Cheng, A. W., Shivalila, C. S., & Page, D. C.. TALEN-mediated editing of the mouse Y chromosome. Nature biotechnology, 2013

31(6), 530-532.

Zuo, E., Huo, X., Yao, X., Hu, X., Sun, Y., Yin, J., & Wei, Y. (2017). CRISPR/Cas9-mediated targeted chromosome elimination. Genome Biology, 18, 224.

謝幸, 苟文麗, 婦產科學第八版

陸海燕, 鄭建麗, 陸晶晶, 施寧, 姚水生, 管永娟, 楊芳芳, 許孟軍. 孕中期產前篩查與羊水染色體產前診斷結果與分析. 中國優生與遺傳雜誌, 2016, 24(5): 55-56

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