基因编辑中嵌合体的概念

对于基因编辑中几个常用的概念名词，若问则略知其道，深究则不明其理，非治学之态度。故而梳理，以明辨之。
嵌合体：
嵌合体的英语为Chimera，“奇美拉”，是希腊神话中一种狮头、羊身、蛇尾的吐火怪物。在生物学上，主要指动物的两颗受精卵融合在一起，长成一个个体的现象。

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一种生物体内有很多细胞，都是来自于胚胎早期的分裂。由于胚胎早期的一些突变，或者重组或者其他情况，身体中会出现两组到多组遗传物质存在较多差异的细胞。因此称之为嵌合体。
在基因编辑果蝇中，产生的G0代即是嵌合体，因为sgRNA发生作用并不可能做到理想状态那样，在生殖干细胞分化之初即有效切割。于是就导致了发育的个体中，这种突变仅存在与部分细胞或组织内。

As injected embryos develop, CRISPR/Cas9 editing occurs in a subset of
each embryo’s germ cells, resulting in adult flies with mosaic germ line stem cells.

纯合体：
纯合体又称同型合子或同质合子。由两个基因型相同的配子所结合而成的合子，亦指由此种合子发育而成的生物个体。纯合体的同源染色体，在其对应的一对或几对基因座位上，存在着完全相同的等位基因，如AA、aa、AABB、AAbb、aaBB、AABBcc、aaBBcc等等，具有这些基因型的生物，就这些成对的基因来说，都是纯合体。在它们的自交后代中，这几对基因所控制的性状，不会发生分离。

杂合体：
杂合体又称异型合子或异质合子。是由两个基因型不同的[配子]结合而成的合子，亦指由此种合子发育而成的生物个体。杂合体的同源染色体，在其对应的一对或几对基因座位上，存在着不同的等位基因，如Aa、AaBb、AaBbCc等等，具有这些基因型的生物，就这些成对的基因来说，都是杂合体。在它们的自交后代中，这几对基因所控制的性状会发生分离。杂合体个体（杂种）在生活力、产量和寿命方面常比纯合体有优势。

突变体传代FAQ:
Q：为什么在传代时，不将G0代个体之间直接进行杂交，而是先与野生型杂交，然后再G1代个体之间杂交呢？
A：首先，任何的突变体纯化筛选，都遵循遗传学基本定律。在进行遗传学分析时，如果明确个体的基因型，更便于后续的遗传分析和验证，做到有的放矢。在G0代中，并不知道个体是否突变，没有明确背景下杂交，将研究的问题复杂化。
其次，基因编辑导致的突变类型有敲除、替换或插入，在存活的G0个体中突变的类型各式各样。G0代直接杂交，后代筛选中突变就会出现不同类型，加大了分析的难度。最理想的就是对单一突变，筛选至纯合体进行表型分析。

Q：G0与野生型杂交产生了G1，G1个体之间杂交，产生的G2代就可以进行后续表型分析了吗？
A：按照孟德尔遗传学基因的分离定律和自由组合定律，进行思考分析。

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首先，G0代已突变个体，该突变是否能够传递到生殖配子当中是未知数。也可能该个体自身突变，但是突变基因并不能传递到配子，那么杂交的本质是WTWT。
其次，G0代已突变个体，可能有杂合体和纯合体的区分（请看下一问），即Aa和aa（都能在基因水平检测出），与WT的AA杂交，G1代杂交过程中基因分离和自由组合，就会有不同种的基因型（AA、Aa、aa）。理论上我们需要的纯合体在后代中所占比例，最高不过1/4，所以必须对后代进行基因型的进一步确认。

Q：上一问中说到，既然G0代已经获得纯合，那为什么还要绕那么大弯子做纯化筛选呢？
A：G0代突变是有纯合体的，所以G0代能够看到某些隐性基因表型，如果蝇白眼white基因的突变实验。但是由于嵌合体存在，这种突变往往是局部组织或细胞内的，并不是真正意义上的纯合体突变（基因背景信息一致，仅在目的基因处发生预期的突变）。
再者，如果突变要进行传代，不做杂交实验，没有其他办法，动物不能像雌雄同株植物那样进行自交。

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Q：采用Co-CRISPR策略，是不是能够简化基因编辑的劳动强度，使得编辑轻松可见，易于操纵呢？
A：CO-CRISPR策略是在突变GOI（Gene Of Interest）和肉眼可见基因的一种共转换策略。
概率论讲，两个独立事件同时发生的概率等于其中每个事件单独发生的概率的乘积。

但在生物学领域，在基因编辑上，有研究表明单个细胞内Marker基因突变事件发生时，GOI基因也更倾向于共发生。

CRISPR co-selection is based on the observation that when two independent
short guide RNAs (sgRNAs) and Cas9 protein are introduced
to a population of cells simultaneously, CRISPR events tend to
co-occur at both loci within individual cells at a higher-than-random
frequency. 
It has been found that simultaneous introduction of single-guide RNAs (sgRNAs) 
to two different endogenous loci results in double-editing events that are not 
statistically independent, and this concept has also been adapted for use in Drosophila17,18.

所以，通过Marker基因的突变，可以在突变Marker的个体内鉴定GOI突变体，缩小筛选的范围，减少不必要的检测，减轻实验强度，而重点专注于概率更高的个体上。尤其是对于突变概率低的基因，效果尤为突出。
但是这种优越只是在G0代，之后Marker基因已经失去了价值，在后续的筛选中，仍需要对个体单独进行基因型的鉴定和纯化传代。具体原因分析按照孟德尔遗传的两对相对性状的杂交实验及自由组合定律来思考：

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Y代表Marker基因
R代表GOI
1# 在AaAa杂交组合的所有后代中，出现GOI纯合体_ rr的概率为：

2# 在AaAa杂交组合的所有后代中，在没有Marker基因突变表型的个体中Y _ _ _，出现GOI纯合体Y _ rr的概率为：

为了稳定传代，应该找到其中GOI纯合体YYrr个体，其概率为：

此步骤多了一步检测Y纯合的验证。
3# 在AaAa杂交组合的所有后代中，在Marker基因突变表型的个体中yy _ _出现纯合体yyrr的概率为：

可见，此时的Marker基因虽然没有G0代中筛选的有利优势，但是还是有其后续的价值。如果在Marker基因突变表型的基础上筛选，只需检测GOI是否纯合即可；而如果在没有Marker基因突变表型的个体中筛选纯合，虽然不影响GOI筛选的概率，还可以减少"疤痕"基因的引入，但是，仍需一定量的Marker纯合检测。
但是这是理想状况下的AaAa杂交，倘若G1的GOI为AAAA型和AaAA，后代中GOI纯合突变rr的概率将进一步减小。所以，以Marker基因的CO-CRISPR策略，的确能够减轻工作量，节省时间和精力。

一种有效减少筛选的办法即是，在G0代突变检测时，重点关注纯合突变。
具体做法是，在提取DNA后，进行PCR扩增，由于纯合体突变模板起始含量占比略多，经30轮PCR指数扩增后，突变体序列应该高于WT序列，在随后的酶切检测种，可根据酶切割的程度进行判定，如下图。
这种酶切法并不是绝对的，酶切的突变序列受诸多因素的影响（如DNA提取、PCR扩增等），会导致产物含量上的差异，进而影响这个酶切的最终结果，实质上，该办法酶切检测出纯合体的概率更高，是目前比较可靠、稳健的一种可行方案。

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