是否可在哺乳動群中產生 gene-drive？

利用 CRISPR 造成 gene-drive 消滅散播病菌的蚊蟲，可行嗎？如果大家還有印象的話，之前有人提出利用 gene-drive 去消滅散播瘧疾的蚊蟲，但這個做法有爭議，因為這牽扯到整個物種的基因改變，是否會對生態造成影響還不知道。

三年前，UCSD 的 Gantz 和 Bier 先是研發了一個叫做 mutagenic chain reaction (MCR) 的技術，利用細胞本身的 HDR (homology-directed repair) 功能，可以有效的把生物基因體裡的一對基因都突變(homozygous mutations)，使在兩個染色體上的此基因失能。這個技術主要是在一對基因的其中一個中插入了一個 Cas9-gRNA cassette 使其失能外，之後利用細胞本身的 HDR 把另一個基因也切斷並插入 Cas9-gRNA cassette，造成 homozygous mutation，使那一對基因整個失能(loss-of-function)。那要怎麼知道這個方法是否能夠有效的產生 homozygous mutation？假設果蠅本身的某對隱性基因中有一個帶有突變，也就是所謂的 heterozygous mutation，那這個突變並不會表現在外觀上(phenotype)，但透過這個技術，可以有效地使果蠅轉換成一對基因的兩個都帶有突變，使這個突變表現在外觀上。並且，當這個帶有 Cas9-gRNA 的果蠅和野生果蠅交配後，產生的後代也會有 50% 的機會帶有 Cas9-gRNA cassette，使其出現 loss-of-function 的突變，隨之產生 gene-drive 的情況。

照理來說，這個技術應該可以應用在任何生物身上，不只有果蠅。於是，UCSD 的另一個團隊想在老鼠中嘗試 gene-drive，這樣就可以大量生產研究用的基改老鼠。他們讓母鼠帶有 Cas9，讓公鼠帶有 gRNA (guide RNA)，交配後的後代小鼠就會帶有 Cas9 和 gRNA，並且會在不同的染色體上，因為從爸爸來的那個會帶有 gRNA，從媽媽來的則帶有 Cas9。不過這個實驗沒果蠅那麼成功，主要是在公鼠的部分，可能是因為精子會在進行 meiosis (減數分裂) 前現進行普通的 mitosis，而這時期 Cas9 造成的切口會用 NHEJ (non-homologous end joining) 來修復，而不是 HDR。另外就是 Cas8 和 gRNA 是在不同的染色體上，所以如果和野生鼠交配，就會缺少其中一個元素而無法進行突變。


Figure / S Khan et al, J Biomedical Science 2018 (doi: 10.1186/s12929-018-0425-5)


Articles:

Science / ‘Gene drive’ passes first test in mammals, speeding up inheritance in mice (July 2019)


Papers:

VM Gantz & E Bier, The mutagenic chain reaction: A method for converting heterozygous to homozygous mutations. Science (2015)

HA Grunwald et al, Super-Mendelian inheritance mediated by CRISPR/Cas9 in the female mouse germline. bioRxiv (2019)