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Nature:基因敲除技术的缺陷

摘要 : 有证据显示敲除或是阻断基因有可能会造成不同的后果。来自马克斯普朗克心脏与肺研究所的科学家们现在发现,有其他的基因补偿敲除的基因从而降低影响或是完全弥补缺陷。研究结果表明,在解读来自分子生物学研究的数据或开发基因疗法治疗各种疾病时需持谨慎的态度。

 

当前一些基因组改造新方法在科学界引发了广泛的讨论:例如,采用CRISPR/Cas技术,科学家们可以删除某一基因遗传密码的组成部分,由此敲除掉这一基因。此外,还有一些方法可以抑制基因翻译为蛋白质。两种方法的共同之处在于,它们都阻碍了蛋白质生成,因此可给生物体造成一些相似的影响。然而,有证据显示敲除或是阻断基因有可能会造成不同的后果。

来自马克斯普朗克心脏与肺研究所的科学家们现在发现,有其他的基因补偿敲除的基因从而降低影响或是完全弥补缺陷。研究结果表明,在解读来自分子生物学研究的数据或开发基因疗法治疗各种疾病时需持谨慎的态度。

为了分析一个未知基因的功能,科学家们常常通过失活基因这一方法,来调查这种处理对于生物体的影响。为此,他们会利用一些酶来切割这一基因的DNA片段,删除编码功能蛋白的遗传信息。这种方法就叫做“基因敲除”( Gene knockout)。相比之下,在“基因敲落”( gene knockdown)中科学家们则是利用如microRNAs等一些特殊的物质来阻断蛋白质生成。

然而,近年来的一些研究表明基因敲除和基因敲落动物之间的一些结果有差异。来自马克斯普朗克心脏与肺研究所Didier Stainier研究小组的科学家们现在揭示出了这种现象背后的原因。研究人员在斑马鱼中调查了一个叫做egfl7的基因。这一基因参与了血管壁中的结缔组织生成,由此稳定了血管壁。因而egfl7调控了血管的生长。

然而这些发育生物学家并不确定删除egfl7基因后斑马鱼中会发生什么。论文的第一作者Andrea Rossi说:“如果在基因敲落中阻断这一基因,血管无法正常发育。与之相反,通过遗传操控来删除这一基因,血管生成则不受影响。”

一开始,研究人员排除了基因敲落物质的潜在副作用导致了对血管发育的干扰。为此,他们将基因敲落物质注入到已经删除egfl7基因的斑马鱼幼鱼中。但这些幼鱼几乎完全发育正常。

论文的共同第一作者Zacharias Kontarakis说:“由于基因敲落物质不会扰乱血管生成,我们想到了一个不同的机制:通过另一个基因接管它的功能可以补偿这种基因缺失。因此,我们一直在寻找在缺失功能性egfl7基因的斑马鱼中表达的挽救基因。”

研究人员比较了有无功能性egfl7基因的斑马鱼中的mRNA分子和蛋白,检测到在缺失egfl7的斑马鱼中有几个mRNAs和蛋白质表达量较高。emilin 3B就是其中一个例子。阻断egfl7后采用emilin 3B来处理“基因敲落”斑马鱼,血管几乎完全正常发育。“这告诉了我们,emilin 3B可以弥补egfl7缺失。在egfl7基因敲除斑马鱼中emilin生成上调。而在基因敲落斑马鱼中则没有这种情况,”Stainier解释道。

下一步,该研究小组计划分析基因是如何“知道”另一基因被删除,随后补偿这一缺失的。在世界各地有一些研究人员正在设法删除疾病基因来达到某些治疗目的。在我们建立这样的疗法之前,我们必须充分了解缺失或阻断某一基因有可能造成的影响。“此外,我们的研究举例说明了比较基因敲除和基因敲落在鉴别修饰基因方面的能力,当前这仍是人类遗传学领域一个巨大的挑战,”Stainier说。

原文标题:Genetic compensation induced by deleterious mutations but not gene knockdowns

原文摘要:Cells sense their environment and adapt to it by fine-tuning their transcriptome. Wired into this network of gene expression control are mechanisms to compensate for gene dosage. The increasing use of reverse genetics in zebrafish, and other model systems, has revealed profound differences between the phenotypes caused by genetic mutations and those caused by gene knockdowns at many loci1, 2, 3, an observation previously reported in mouse and Arabidopsis4, 5,6, 7. To identify the reasons underlying the phenotypic differences between mutants and knockdowns, we generated mutations in zebrafish egfl7, an endothelial extracellular matrix gene of therapeutic interest, as well as in vegfaa. Here we show that egfl7 mutants do not show any obvious phenotypes while animals injected with egfl7 morpholino (morphants) exhibit severe vascular defects. We further observe that egfl7 mutants are less sensitive than their wild-type siblings to Egfl7 knockdown, arguing against residual protein function in the mutants or significant off-target effects of the morpholinos when used at a moderate dose. Comparing egfl7 mutant and morphant proteomes and transcriptomes, we identify a set of proteins and genes that are upregulated in mutants but not in morphants. Among them are extracellular matrix genes that can rescue egfl7 morphants, indicating that they could be compensating for the loss of Egfl7 function in the phenotypically wild-type egfl7 mutants. Moreover, egfl7 CRISPR interference, which obstructs transcript elongation and causes severe vascular defects, does not cause the upregulation of these genes. Similarly, vegfaa mutants but not morphants show an upregulation ofvegfab. Taken together, these data reveal the activation of a compensatory network to buffer against deleterious mutations, which was not observed after translational or transcriptional knockdown.

来源: Nature 浏览次数:1

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