21世纪，革命性的CRISPR基因编辑系统为整个生物技术领域提供了无限可能。科学家们利用基因编辑技术，改造植物基因培育优良作物，筛选药物靶标开发抗癌新药，治疗基因突变造成的遗传疾病，还能快速检测新冠病毒的存在……
日前，一项概念性验证研究让我们看到了基因编辑的又一潜在新应用。利用CRISPR-Cas9基因编辑器，一支英国研究团队实现了对动物出生性别的控制，让实验小鼠一窝产下的幼崽100%为雄性或100%为雌性。
借助这项技术，科学家们希望可以改善科学研究中的动物福利，以及有助于在农业领域减少扑杀动物。因为这两个领域中，人们常常会对某一性别的动物有更大需求。比如，研究生殖系统，或是研究与特定性别相关的疾病或激素，在培育小鼠等实验动物时只需用到一种性别；在农业领域，不生蛋的公鸡、不产奶的公奶牛等在出生后被扑杀，是一种常见做法。
控制新生动物的性别比例，只产生单一性别的后代，在此次的新研究中，弗朗西斯·克里克研究所（The Francis Crick Institute）和肯特大学（University of Kent）的科学家合作实现了这一目的。
研究人员设想的方案是在胚胎发育的早期阶段，消除特定性别的胚胎。为此，他们以一个编码拓扑异构酶的基因Top1作为基因编辑的目标。这个基因在细胞分裂时发挥重要作用，是DNA复制和修复过程不可缺少的。受精卵经历不断分裂发育成胚胎，在此过程中“剪切”掉这个基因，那么胚胎将很快停止发育并快速死亡。
为了只在雄性胚胎或只在雌性胚胎中剪切Top1基因，研究人员设计了一个巧妙的方案，把组成CRISPR-Cas9基因编辑系统的两个元素分别放入小鼠父母双方的细胞中。
具体来说，CRISPR系统中编码向导RNA的基因放入小鼠母亲的基因组中，这段向导RNA负责定位Top1基因；编码CRISPR核酸酶的DNA则放入小鼠父亲的Y染色体，核酸酶负责切割DNA。这样一来，当包含Y染色体的精子使卵子受精，核酸酶与向导RNA在同一个细胞中相遇，两者合力启动基因编辑。于是，雄性胚胎只发育到16~32个细胞的阶段就无法继续发育，在植入子宫前就消失了。
上述组合是控制只生雌性后代的情况。相反，在小鼠父亲的X染色体上加入编码CRISPR核酸酶的DNA，就会导致小鼠母亲产下的后代均为雄性，因为雌性胚胎会在基因编辑的作用下提早停止发育而被消除。
日前，一项概念性验证研究让我们看到了基因编辑的又一潜在新应用。利用CRISPR-Cas9基因编辑器，一支英国研究团队实现了对动物出生性别的控制，让实验小鼠一窝产下的幼崽100%为雄性或100%为雌性。
借助这项技术，科学家们希望可以改善科学研究中的动物福利，以及有助于在农业领域减少扑杀动物。因为这两个领域中，人们常常会对某一性别的动物有更大需求。比如，研究生殖系统，或是研究与特定性别相关的疾病或激素，在培育小鼠等实验动物时只需用到一种性别；在农业领域，不生蛋的公鸡、不产奶的公奶牛等在出生后被扑杀，是一种常见做法。
控制新生动物的性别比例，只产生单一性别的后代，在此次的新研究中，弗朗西斯·克里克研究所（The Francis Crick Institute）和肯特大学（University of Kent）的科学家合作实现了这一目的。
研究人员设想的方案是在胚胎发育的早期阶段，消除特定性别的胚胎。为此，他们以一个编码拓扑异构酶的基因Top1作为基因编辑的目标。这个基因在细胞分裂时发挥重要作用，是DNA复制和修复过程不可缺少的。受精卵经历不断分裂发育成胚胎，在此过程中“剪切”掉这个基因，那么胚胎将很快停止发育并快速死亡。
为了只在雄性胚胎或只在雌性胚胎中剪切Top1基因，研究人员设计了一个巧妙的方案，把组成CRISPR-Cas9基因编辑系统的两个元素分别放入小鼠父母双方的细胞中。
具体来说，CRISPR系统中编码向导RNA的基因放入小鼠母亲的基因组中，这段向导RNA负责定位Top1基因；编码CRISPR核酸酶的DNA则放入小鼠父亲的Y染色体，核酸酶负责切割DNA。这样一来，当包含Y染色体的精子使卵子受精，核酸酶与向导RNA在同一个细胞中相遇，两者合力启动基因编辑。于是，雄性胚胎只发育到16~32个细胞的阶段就无法继续发育，在植入子宫前就消失了。
上述组合是控制只生雌性后代的情况。相反，在小鼠父亲的X染色体上加入编码CRISPR核酸酶的DNA，就会导致小鼠母亲产下的后代均为雄性，因为雌性胚胎会在基因编辑的作用下提早停止发育而被消除。
▲编辑雄鼠的X染色体和Y染色体，控制所需胚胎的性别
（图片来源：参考资料[1]）
（图片来源：参考资料[1]）
一个令人意外的结果是，减少“不需要”的胚胎后，母鼠生下的幼崽数量比研究人员预期的更多！小鼠一次孕育多胎，理论上应该减少一半胚胎数量，实际上与对照组相比，后代数量只减少了30%~40%。研究人员分析说，一种可能是由于植入子宫的胚胎数量减少，有可能让孕鼠把有限的资源投入给留存下来的“正确”胚胎，提高存活的成功率。这一结果意味着，这项技术如果实际应用，可以减少用于繁殖的动物数量。
此外，研究人员在论文中展示，这种基因编辑方法没有对产下的小鼠造成有害影响，是有效和安全的。研究小组指出，他们所编辑的基因Top1在很多其他动物（包括鱼类、鸟类）中也是必需的一种基因，因此这种方法很可能也适用于其他物种。
这项研究成果的潜在应用引起了很多科学家的关注。在顶尖学术期刊《科学》的相关报道中，有些科学家期待这项研究有助于缓解某些伦理困境。
此外，难免会有人担心这种控制出生比例的方法是否会被用于人体试验。对此，以色列特拉维夫大学（Tel Aviv University）的基因编辑专家Ehud Qimron教授指出，这种技术首先更适合的是一次孕育多胎、妊娠期短的物种，例如小鼠通常一次可产多达12个幼崽；此外，这种方法要用到的基因改造在人类中并不切实可行。
尽管这项技术展现了改善实验动物和家禽牲畜的前景，研究通讯作者之一Peter Ellis博士仍然提醒，在进一步应用之前，应当在动物伦理和监管立法等层面全面考虑新技术的影响。
注：原文有删减
参考资料：
[1] Charlotte Douglas et al., (2021) CRISPR-Cas9 effectors facilitate generation of single-sex litters and sex-specific phenotypes. Nature Communications. Doi: 10.1038/s41467-021-27227-2
[2] Gene-editing used to create single sex mice litters. Retrieved Dec. 6, 2021 from https://www.crick.ac.uk/news/2021-12-03_gene-editing-used-to-create-single-sex-mice-litters
[3] Gene editing produces all-male or all-female litters of mice. Retrieved Dec. 6, 2021 from https://www.science.org/content/article/gene-editing-produces-all-male-or-all-female-litters-mice
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