Sebagai ahli genetik tikus, kita menghabiskan banyak masa menunggu tikus untuk membuat lebih banyak tikus. Saiz kecil mereka, kemudahan penjagaan dan kesediaan untuk pasangan telah membuat tikus "Mamalia pilihan" untuk saintis selama lebih daripada satu abad. Sesungguhnya, bola-bola bulu yang menggangu yang menyerang ketakutan di hati beberapa orang berhutang hutang terima kasih atas semua yang mereka ajarkan penyelidik tentang kesihatan manusia dan bagaimana badan mamalia dibina dan berfungsi.

Di makmal kami kita menggunakan tikus untuk memahami bagaimana anggota badan berkembang. Khususnya, kita terpesona dengan perubahan genetik yang dibuat lebih dari puluhan juta tahun sejak binatang berkaki empat pertama turun dari air dan ke darat. Adalah luar biasa bahawa sayap lumba-lumba dan sayap kelawar, misalnya, berasal daripada nenek moyang yang sama. Matlamat kami adalah untuk mengetahui mana perbezaan DNA mereka yang menyebabkan perubahan dramatik dalam bentuk mamalia yang berbeza. Khususnya, kami bekerja dengan tikus kecil yang tinggal di padang pasir yang dipanggil jerboa, yang mempunyai kaki panjang yang hampir absurdly. Satu strategi yang sangat kuat untuk memahami kaki besar jerboa adalah untuk membuat robot tetikus dengan gen pengembangan badan jerboa dan melihat apakah perubahan genetik ini membuat tikus dengan kaki yang lebih panjang.

Tetapi jika kita mahu memahami sejarah genetik rumit evolusi anggota jerboa, kita perlu mengkaji beberapa gen sekaligus. Ini menyebabkan masalah yang sama dengan penyelidik bioperubatan bekerja dengan tikus untuk memahami penyakit genetik manusia. Walaupun tikus dan manusia sama dalam banyak cara dan terdedah kepada beberapa penyakit genetik yang sama, penyakit yang paling umum adalah disebabkan oleh lebih daripada satu gen.

Ini membawa kepada masalah besar dengan menggunakan tikus untuk memahami kedua-dua evolusi mamalia serta gangguan genetik manusia: kebarangkalian. Sekiranya saintis menukar gen dalam tetikus, tidak semua keturunan akan mewarisi sifat dalam generasi akan datang. Makmal kami adalah yang pertama untuk membangunkan strategi untuk meningkatkan kemungkinan ini.

Warisan dan uber-warisan

Mari kita mulakan dengan asas-asasnya. Setiap haiwan mempunyai dua versi setiap gen. Setiap ibu bapa hanya akan meluluskan satu versi kepada setiap anak. Oleh itu, kepura-puraan sifat-sifat genetik yang berbeza adalah seperti sentuhan duit syiling di mana versi tertentu mewarisi 50 peratus masa.

Mencipta tetikus yang mewarisi versi mutasi tiga gen penyebab penyakit dari setiap ibu bapa mempunyai kemungkinan yang sama apabila enam syiling pada masa yang sama mengalir semua pendaratan pada "kepala." Tetapi bagaimana jika duit syiling itu dapat ditimbang secara beransur-ansur supaya mereka mempunyai kebarangkalian yang lebih tinggi jatuh kepala?

Konsep menyusun kemungkinan untuk memihak kepada salah satu daripada dua versi gen ini menggariskan usaha untuk memandu pemacu gen. Pemacu gen hanya ditakrifkan sebagai sekeping DNA yang diwarisi lebih kerap daripada dapat dijelaskan oleh peluang rawak selama beberapa generasi sehingga ia menyapu melalui populasi. Penyelidik baru-baru ini di UK menunjukkan bahawa pemacu gen mungkin dapat perlahan penyebaran penyakit bawaan nyamuk, seperti malaria.

Sistem pemacu gen yang sedang dalam pembangunan bergantung kepada dua komponen CRISPR-Cas9 jentera pengeditan gen; Protein Cas9 bertindak seperti sepasang gunting dan memotong DNA, dan urutan panduan pendek memberitahu gunting tepat di mana untuk dipotong. Dalam pemacu gen, gen penderma, yang merupakan versi yang kita mahu memperkenalkan haiwan itu, direkayasa untuk menggunakan komponen ini supaya ia dapat menggantikan versi bukan kejuruteraan, atau gen penerima yang dipanggil. Apabila gen penerima tidak kejuruteraan dipotong, gen penderma membaiki pemotongan dengan menyalin dirinya ke tapak penerima supaya ada dua salinan gen penderma yang sama.

Oleh itu, gen penderma bertindak seperti mencari dan menggantikan ciri program pemprosesan perkataan. Gen penerima ditukar supaya nyamuk, sebagai contoh, akan mempunyai dua salinan gen penderma yang direka bentuk untuk lulus kepada anak-anaknya. Dengan cara ini, sebilangan kecil nyamuk kejuruteraan genetik yang dikawinkan dengan nyamuk liar akan melepasi gen kejuruteraan kepada semua keturunan mereka. Mereka kemudian akan berkawan dengan nyamuk yang lebih liar dan melepasi gen kejuruteraan kepada semua keturunan mereka. Dan terus-menerus sehingga gen kejuruteraan telah dimasukkan ke dalam DNA seluruh penduduk. Jika gen kejuruteraan membuat nyamuk tahan terhadap jangkitan malaria, pemacu gen dapat menyebabkan gigitan mereka.

Adakah mencari dan menggantikan kerja pada tikus?

Pendekatan sedemikian telah berjalan lancar dalam populasi makmal serangga, tetapi serangga dan mamalia menyimpang daripada nenek moyang yang sama lebih daripada 700 juta tahun yang lalu. Bolehkah sistem yang sama berfungsi pada tikus untuk meningkatkan kebarangkalian warisan? Untuk menguji ini, kami merekabentuk sistem yang mirip dengan pemacu gen dengan gen penderma tikus yang boleh menghasilkan protein neon merah. Jika "mencari dan menggantikan" bekerja, tikus bayi akan menyala merah di bawah cahaya khas.

Kami teruja melihat bahawa apabila CRISPR memotong DNA semasa pengeluaran telur pada wanita, gen penderma sering dapat menggantikan versi penerima. Banyak tikus bayi yang mewarisi kromosom penerima berwarna merah. Sebenarnya, gen penderma kita diwarisi sebanyak 86 peratus masa itu - syiling berat yang banyak - berbanding hanya peratus 50 biasa.

Walau bagaimanapun, mencari dan menggantikan genetik ini tidak berfungsi dan juga serangga, dan ia tidak berfungsi dalam pengeluaran sperma pada lelaki. Kami fikir kami faham mengapa, dan kami fikir kami boleh membuat beberapa peningkatan teknologi supaya ia lebih cekap dalam tikus.

Apa yang akan datang?

Ada yang mencadangkan bahawa pemacu gen akan menjadi cara yang lebih selamat dan lebih berkesan untuk menghilangkan lokasi tikus dan tikus invasif - yang menghancurkan biodiversiti pulau dan menyumbang kepada kepupusan - daripada racun spektrum luas. Walau bagaimanapun, yang lain mempunyai kebimbangan mengenai akibat yang tidak diingini untuk melepaskan haiwan yang diubahsuai secara genetik ke dalam liar. Sebelum pemacu gen menjadi realiti dalam tikus, namun banyak kerja perlu dilakukan untuk meningkatkan pencarian dan menggantikan kecekapan dan untuk mengurangkan kekerapan kesalahan yang akan membuat hewan tahan terhadap pemacu. Oleh itu, kami fikir para saintis perlu menggunakan masa ini untuk berhati-hati mempertimbangkan dan berbincang dengan orang awam apa yang boleh dan sepatutnya, atau tidak, dilakukan menggunakan pemacu gen pemangsa liar.

Manfaat yang lebih mendalam kepada masyarakat, kami berpendapat teknologi ini dapat menyelesaikan masalah saintis asas dan bioperubatan. Kadar warisan yang lebih tinggi bermakna ahli genetik tetikus dapat mengurangkan jumlah haiwan yang diperlukan untuk kajian. Oleh itu, kita boleh menggunakan tikus untuk memahami kesan serentak pelbagai perubahan genetik yang mengubah spesies semasa evolusi. Atau kita dapat mengkaji bagaimana koleksi mutasi dapat mencetuskan penyakit manusia yang kompleks yang pernah menjadi mustahil untuk belajar pada tikus.

Authors: Kim Cooper, Penolong Profesor Sains Biologi, University of California San Diego and Hannah Grunwald, Pelajar siswazah, University of California San Diego

Artikel ini diterbitkan semula daripada Perbualan di bawah lesen Creative Commons. Membaca artikel asal.