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利用新的CRISPR技术和Cas9蛋白进行昆虫基因编辑

Daimon

2022-05-19

一种新的基于CRISPR技术的基因编辑方法可以通过针对包括蟑螂在内的多种昆虫发育中的卵进行基因编辑。

目前昆虫基因编辑的方法主要依赖于将基因编辑机器显微注射到早期胚胎中。这使得基因编辑仅限于那些胚胎容易获得的昆虫。而有的昆虫，例如，蟑螂将受精卵封装在一个硬壳中，这使得它们无法进行微量注射。

但日本和西班牙的研究人员发现，当成年雌性昆虫的卵母细胞发育时，可以将Cas9核糖核蛋白RNP做为替代，注射到雌性昆虫体内。

该研究成果发表在本周一的《细胞报告方法》上。

研究人员使用了被称为直接亲本CRISPR或DIPA-CRISPR的方法，对蟑螂的效率超过20%，对甲虫的效率超过50%。此外，DIPA-CRISPR与商用Cas9配合使用，所需设备最少，因此可被广泛的实验室采用。

京都大学的研究人员表示：“从某种意义上说，昆虫研究人员已经摆脱了注射卵子的烦恼。我们现在可以更自由和随意地编辑昆虫基因组。原则上，这种方法应该适用于90%以上的昆虫物种。”

研究人员将靶向眼睛颜色基因的商业化Cas9蛋白注射到16只未携带受精卵的成熟雌性德国小蠊体内。注射后，其中五只蟑螂产生卵膜，即包裹在硬壳中的受精卵，显示出2.3%的基因编辑效率。

根据这一初步结果，研究人员进一步在成年雌性德国小蠊生殖周期的不同阶段测试了他们的方法。他们发现，在卵膜脱落四天后，他们可以将基因编辑效率提高到21.8%。

通过交叉实验，他们进一步发现，编辑过的蟑螂的后代也破坏了朱红色的眼睛颜色基因，这表明DIPA-CRISPR可以用来培育敲除蟑螂。

研究人员还将他们的方法应用于红粉甲虫Tribolium castaneum，这种甲虫在进化上与蟑螂很遥远。当他们在雌性甲虫成年后四五天将RNP注射到雌性甲虫体内时，研究人员发现基因编辑效率分别为50.8%和71.4%。RNP的目标是X染色体上的红眼颜色基因。这与在该物种胚胎注射方法中观察到的效率相似，表明DIPA-CRISPR可能是一种可推广的昆虫编辑方法。

他们还发现，利用Tribolium castaneum，DIPA-CRISPR可以用于昆虫基因敲入，但只有1.2%的效率很低，需要改进。

尽管如此，由于DIPA-CRISPR使用的是商用Cas9蛋白，并且只需要极少的设备，可以应用于一系列昆虫。

通过改进DIPA-CRISPR方法并使其更加高效和通用，研究人员可能在150多万种昆虫中的几乎所有物种中进行基因组编辑，开辟了一个充分利用昆虫生物功能的未来。原则上，其他节肢动物也可能使用类似的方法进行基因组编辑。这些方法包括农业和医学害虫，如螨和蜱，以及重要的渔业资源，如虾和蟹。

然而，这种方法有一些局限性，因为它需要了解目标物种的卵巢发育情况，并且可能不直接适用于具有其他生殖策略的某些昆虫。