Als Mausgenetiker verbringen wir viel Zeit damit, darauf zu warten, dass Mäuse mehr Mäuse machen. Ihre geringe Größe, Pflegeleichtigkeit und die Bereitschaft zur Paarung haben Mäuse zum "Säugetier der Wahl" für Wissenschaftler seit mehr als einem Jahrhundert. Tatsächlich sind diese zappeligen Fellknäuel, die in den Herzen einiger Menschen Angst hervorrufen, ein Dankeschön für alles, was sie Forschern über die menschliche Gesundheit und über den Aufbau und die Funktionsweise von Säugetierkörpern beigebracht haben.
In unserem Labor Wir verwenden Mäuse, um zu verstehen, wie sich die Gliedmaßen entwickelt haben. Wir sind insbesondere fasziniert von den genetischen Veränderungen, die in den letzten zehn Millionen Jahren vorgenommen wurden, seit das erste vierbeinige Tier aus dem Wasser auf das Land geschleudert ist. Es ist bemerkenswert, dass die Delphinflosse und der Flügel der Fledermaus zum Beispiel von einem gemeinsamen Vorfahren abstammen. Unser Ziel ist es herauszufinden, welche der Unterschiede in ihrer DNA dramatische Veränderungen in der Form verschiedener Säugetiere verursacht haben. Insbesondere arbeiten wir mit einem kleinen, in der Wüste lebenden Nagetier namens Springmaus, das fast absurd lange Hinterbeine hat. Eine sehr wirksame Strategie, um die enormen Füße des Springmaus zu verstehen, wäre es, eine Maus mit Genen für die Entwicklung von Springmausgliedern zu konstruieren und zu prüfen, ob diese genetischen Veränderungen eine Maus mit längeren Beinen ergeben.
Wenn wir jedoch die komplizierte genetische Vorgeschichte der Evolution der Springmaus verstehen wollen, müssen wir mehrere Gene gleichzeitig untersuchen. Dies verursacht ein ähnliches Problem wie bei biomedizinischen Forschern, die mit Mäusen zusammenarbeiten, um genetisch bedingte Krankheiten des Menschen zu verstehen. Obwohl Mäuse und Menschen in vielerlei Hinsicht ähnlich sind und für einige der gleichen genetischen Krankheiten anfällig sind, werden unsere häufigsten Krankheiten durch mehr als ein Gen verursacht.
Dies führt zu einem großen Problem bei der Verwendung von Mäusen, um sowohl die Säugetierentwicklung als auch die genetischen Störungen des Menschen zu verstehen: die Wahrscheinlichkeit. Wenn Wissenschaftler ein Gen in einer Maus verändern, erben nicht alle Nachkommen das Merkmal in der nächsten Generation. Unser Labor ist das erste, das eine Strategie entwickelt, um diese Chancen zu erhöhen.
Vererbung und Übervererbung
Beginnen wir mit den Grundlagen. Jedes Tier hat zwei Versionen jedes Gens. Jeder Elternteil gibt nur eine Version an jeden Nachwuchs weiter. Die Vererbung verschiedener genetischer Merkmale ist daher ein bisschen wie ein Münzwurf, bei dem eine bestimmte Version zu 50 Prozent der Zeit vererbt wird.
Das Erstellen einer Maus, die mutierte Versionen von drei krankheitsverursachenden Genen von jedem Elternteil geerbt hat, hat die gleiche Wahrscheinlichkeit wie sechs gleichzeitig geworfene Münzen, die alle auf „Köpfen“ landen. Was aber, wenn die Münzen ungleichmäßig gewichtet werden könnten, so dass sie mit einer höheren Wahrscheinlichkeit fallen Kopf hoch?
Das Konzept, die Chancen zugunsten einer der beiden Versionen eines Gens zu stapeln, liegt den Bemühungen zugrunde, Genantriebe zu entwickeln. Ein Gentrieb wird einfach als ein Stück DNA definiert, das häufiger vererbt wird, als es durch Zufall über mehrere Generationen hinweg erklärt werden kann, so dass es eine Population durchläuft. Kürzlich haben Forscher in Großbritannien gezeigt, dass Gen-Antriebe dies möglicherweise können Verlangsamen Sie die Ausbreitung von durch Mücken übertragenen Krankheitenwie Malaria.
Gen-Antriebssysteme Diese in der Entwicklung befindlichen Produkte stützen sich auf die beiden Komponenten des CRISPR-Cas9-Geneditiergeräts. Das Cas9-Protein wirkt wie eine Schere und schneidet die DNA, und eine kurze Führungssequenz teilt den Scheren mit, wo genau geschnitten werden soll. In einem Gentrieb wird ein Spendergen, das die Version ist, die wir in das Tier einführen möchten, so konstruiert, dass diese Komponenten verwendet werden, damit es die nicht-konstruierte Version oder das sogenannte Empfängergen ersetzen kann. Wenn das nicht-manipulierte Empfängergen geschnitten wird, repariert das Spendergen den Schnitt, indem es sich selbst in die Empfängerstelle kopiert, so dass zwei identische Kopien des Spendergens vorhanden sind.
Das Spendergen fungiert daher als Such- und Ersetzungsmerkmal eines Textverarbeitungsprogramms. Das Empfängergen wird so konvertiert, dass beispielsweise eine Mücke zwei Kopien des manipulierten Spendergens zur Weitergabe an ihre Nachkommen benötigt. Auf diese Weise würde eine kleine Anzahl von gentechnisch veränderten Mücken, die sich mit wilden Mücken paaren, das gentechnisch veränderte Gen an alle ihre Nachkommen weitergeben. Diese würden sich dann mit mehr wilden Mücken paaren und das gentechnisch veränderte Gen an alle ihre Nachkommen weitergeben. Und so weiter, bis das gentechnisch veränderte Gen in die DNA einer ganzen Population eingebaut wurde. Wenn das gentechnisch veränderte Gen Mücken gegen Malaria-Infektionen resistent macht, könnte ein Gen-Antrieb ihren Biss nur ärgerlich machen.
Findet und ersetzt Arbeit in Mäusen?
Ein solcher Ansatz hat sich bewährt Laborpopulationen von InsektenAber Insekten und Säugetiere haben sich vor mehr als 700 Millionen Jahren von einem gemeinsamen Vorfahren entfernt. Könnten ähnliche Systeme bei Mäusen zur Erhöhung der Vererbungswahrscheinlichkeit eingesetzt werden? Um dies zu testen, entwickelten wir ein System ähnlich einem Gen-Laufwerk mit einem Maus-Donor-Gen, das ein rot fluoreszierendes Protein herstellen könnte. Wenn das „Finden und Ersetzen“ funktionieren würde, würden die Babymäuse unter einem speziellen Licht rot leuchten.
Wir waren erfreut zu sehen, dass CRISPR beim Schneiden der DNA während der Eiererzeugung bei Frauen das Spendergen oftmals in der Lage war, die Empfängerversion zu ersetzen. Viele der Babymäuse, die das Empfängerchromosom geerbt hatten, leuchteten rot. In der Tat war unser Spendergen erbte so viel wie 86 Prozent der Zeit - eine stark gewichtete Münze - im Vergleich zu nur den üblichen 50-Prozenten.
Dieses genetische Finden und Ersetzen funktionierte jedoch nicht so gut wie bei Insekten, und es funktionierte nicht bei der Produktion von Sperma bei Männern. Wir glauben zu verstehen, warum und wir glauben, dass wir die Technologie verbessern können, damit sie bei Mäusen effizienter ist.
Was kommt als nächstes?
Einige haben vorgeschlagen dass ein Gen-Antrieb ein sicherer und effektiverer Weg wäre, um invasive Mäuse und Ratten, die die Artenvielfalt der Inseln zerstören und zum Aussterben beitragen, von einem Standort zu befreien, als Breitspektrum-Gifte. Jedoch, andere haben Bedenken über unbeabsichtigte Folgen der Freilassung gentechnisch veränderter Tiere in die Wildnis. Bevor ein Gen-Antrieb bei Nagetieren Realität wird, müsste jedoch viel Arbeit geleistet werden, um die Effizienz beim Auffinden und Ersetzen zu erhöhen und die Häufigkeit von Fehlern zu verringern, die Tiere gegen einen Antrieb resistent machen würden. Wir sind daher der Meinung, dass Wissenschaftler diese Zeit nutzen sollten, um sorgfältig zu überlegen und mit der Öffentlichkeit zu diskutieren, was mit Genantrieben für wilde Nagetiere getan werden kann und was nicht.
Wir sind der Ansicht, dass diese Technologie Probleme für Grundlagenforscher und biomedizinische Wissenschaftler lösen kann, die für die Gesellschaft von unmittelbarem Nutzen sind. Höhere Vererbungsraten bedeuten, dass Mausgenetiker die Anzahl der für Studien benötigten Tiere reduzieren könnten. Wir könnten daher Mäuse verwenden, um die gleichzeitigen Auswirkungen einer Vielzahl genetischer Veränderungen zu verstehen, die Arten während der Evolution verändert haben. Oder wir könnten untersuchen, wie eine Sammlung von Mutationen komplexe menschliche Krankheiten auslösen kann, die früher bei Mäusen nicht untersucht werden konnten.
Autoren: Kim Cooper, Assistenzprofessor für Biowissenschaften, University of California San Diego und Hannah GrunwaldStudent im Aufbaustudium University of California San Diego
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