Ген драйвер что это



Ген драйвер что это

Что произойдёт, если человечество сможет без труда изменять геномы организмов в масштабах целых популяций и даже биологических видов? С лёгкой руки журналистов, генный драйв представляется могущественной и крайне опасной технологией. Но так ли это на самом деле?

Можно считать, что все проявления жизни на планете одинаково прекрасны и имеют равные и неотъемлемые права на существование, но кого мы пытаемся обмануть? Есть организмы, смертельная опасность которых для человека очевидна, а вот полезность для кого-либо в природе, кроме них самих, вызывает сомнения.

Особенно это касается наших паразитов — их скорейшее вымирание можно считать одной из вожделенных задач человечества. Скажем, вирус натуральной оспы с 1977 года официально вымер, и никто по этому поводу особо не страдает. Вот бы повторить этот опыт ещё с какой-нибудь заразой! Например, с малярией. Каждый год эта болезнь, вызываемая одноклеточным паразитом Plasmodium falciparum, уносит жизни более 2,7 млн человек, делая своего эксклюзивного распространителя — комара рода Anopheles — самым смертоносным животным на планете. Технология генного драйва, теоретически, позволяет уничтожить всю мировую популяцию малярийных комаров, или генно-модифицировать её, сделав невозможным перенос плазмодия. Как результат — плазмодий лишается единственного переносчика и вымирает. Мир свободен от малярии, все счастливы. Или всё-таки нет?

Упоминания о генном драйве всё чаще появляются в заголовках новостей. Одновременно самые серьёзные правительственные учреждения мира продолжают тратить целые бюджеты на исследования безопасности этой нашумевшей технологии. Действительно, на первый взгляд учёные получили в руки эдакие садовые ножницы, которыми при необходимости можно уверенно обрезать особенно надоевшие нам ветки древа жизни. Но давайте обо всём по порядку.

Изначально, генный драйв был предложен в начале 2000-х под впечатлением от ещё совсем недавно открытых «наводящихся эндонуклеаз» (homing endonuclease) Эти ферменты, как и положено любой порядочной эндонуклеазе, режут двойную цепь ДНК на чётко обозначенном участке. А сам ген находится внутри такого же участка, ровно посередине — справа и слева от него лежат половинки последовательности, разрезаемой им (запомним этот факт). Когда клетка поймёт, что в её ДНК многовато дырок — включится клеточная система репарации (восстановления) двойных разрывов. Разрыв «застраивается» нуклеотидами по шаблону, в качестве которого берётся максимально похожий участок ДНК. А самым похожим участком окажется фрагмент ДНК с геном «наводящейся эндонуклеазы» — вспомним какими последовательностями он окружён. Так система репарации клетки сама же встраивает ген эндонуклеазы в новое место.

Микрогаметоцит паразита Plasmodium falciparum в мазке крови. Микрофотография: Dr. Mae Melvin / CDC / Public Domain

Ген, не обременённый никакими полезными для организма функциями, успешно копирует себя — поэтому такой эгоизм поддерживается отбором на уровне генов. Вместе с тем, вред, который этот ген-паразит причиняет своему организму-носителю столь незначителен, что никак не штрафуется естественным отбором на уровне особи. Короче, эгоистичное поведение генов «наводящихся экзонуклеаз» полностью следует всем заветам Ричарда Докинза, а их тяга к поиску нового адреса прописки и дала им название «наводящиеся».

Но самое главное для нас — не сам факт безобразного эгоизма генов, а то, что механизм репарации как правило встраивает эти гены на гомологичную хромосому. Из школьного курса биологии, мы, если постараемся, обязательно вспомним, что хромосомы у нас (как и всех диплоидных организмов) парные не просто так. Одна из них досталась нам от папы, а другая от мамы и набор генов в них одинаковый — разве что сами эти гены могут быть представлены разными вариантами (аллелями). Нужна такая хитроумная конструкция не только для красоты, а в основном (хотя и не только) для удобства работы уже упомянутой системы ремонта ДНК — если из ДНК был потерян небольшой кусок — не беда, его всегда можно восстановить, взяв за образец вторую гомологичную хромосому из пары. И именно в эту вторую, гомологичную хромосому будет вписываться наш ген «наводящейся эндонуклеазы».

А теперь вспомним менделевские законы наследования. Когда от мамы и от папы мы получили разные формы (аллели) одного и того же гена, каждый из них будет наследоваться следующему поколению с вероятностью 50% (½). Но только если речь не идёт о «наводящейся эндонуклеазе». Доставшись от одного из родителей, этот наглый ген тут же найдёт себе место и на соседней, гомологичной хромосоме. А значит все 100% потомков станут его обладателями. Такая же картина повторится в следующем поколении. Эгоистичный ген будет стремительно распространяться по популяции.

В 2003-м году Остин Бёрт предложил использовать это свойство ушлого гена во благо человечества. А именно — для направленного уничтожения надоевших нам биологических видов. В теории, этот сценарий подходит для любого организма, размножающегося половым путём. Представим, что методами генной инженерии мы изменяем специфичность нашей эгоистичной эндонуклеазы и заставляем её наглый ген ненавязчиво влезать прямо в центр какого-нибудь безумно важного для размножения гена. Понятно, что это тут же его сломает. При этом важно, чтобы поломка этого гена вызывала стерильность только у одного пола — ведь должен же его кто-то распространять? Пусть, например, наша эгоистичная нуклеаза будет вызывать бесплодие у самок, тогда передавать её другим поколениям будут самцы. С каждым поколением доля самцов-носителей и бесплодных самок будет увеличиваться, пока наконец в популяции не останутся лишь они одни. Это поколение и станет последним. Вроде бы всё прекрасно! Но нет, оказалось, что жизнь далека от этого сценария.

Приучить эгоистичную нуклеазу распознавать именно нужные нам последовательности в генах комара оказалось не таким простым делом, поэтому технология могла так и остаться лишь смелым планом (pdf). Если бы не грянула очередная революция — открытие системы CRISPR-CAS9.

Не будем останавливаться на ней слишком подробно, благо — о ней и так написано немало. Но здорово осознавать, что эта система, созданная эволюцией сотни миллионов лет назад как аналог иммунитета у бактерий — настоящее воплощение модного нынче принципа модульности. Нуклеаза CAS9 чем-то похожа на высокоточную ракету, ведомую своеобразным модулем наведения — специальной молекулой «гидовой» РНК. Если эта РНК села на цепь ДНК — этот участок ДНК обязательно будет разрезан нуклеазой. При этом последовательность самой «гидовой» РНК может быть практически любой, а значит и навести нашу нуклеазу можно куда угодно.

Эти фантастические свойства системы и были использованы в новых концепциях генного драйва. Остальной сценарий нам уже знаком — половинки разрезаемого фрагмента окружают блок из тех генов, которые нужно «задрайвить» в популяцию. И здесь снова включается принцип модульности: мы можем «драйвить» практически любой ген, собирая блок из гена CAS9, гена «гидовой» РНК и практически любого гена (или генов!) целевой нагрузки, который мы хотим внести в нашу популяцию.

Самка комара Anopheles quadriannulatus. Фото: James Gathany / CDC / Public Domain

То есть для успеха коварного плана по искоренению малярии, комаров даже не нужно стерилизовать! Можно, например, распространить в их популяции гены антител к малярийному плазмодию, — и слюнные железы комаров навсегда перестанут быть уютным домом для этих паразитов. При этом, в идеале, для запуска волнообразного распространения генной модификации хватит единственного выпущенного на свободу ГМО-комарика. Для такой реакции учёные даже выдумали красивое название — мутагенная цепная реакция.

Но не слишком ли далеко мы зашли? Здравый смысл подсказывает, что в жизни всё очень часто идёт не по плану, а воображение быстро находит аналогию с ящиком Пандоры. Действительно, генный драйв, модифицирующий популяцию, легко распространяется и на весь биологический вид. Он необратим, а о его последствиях можно с уверенностью сказать, лишь поставив эксперимент в живой природе. Учёные оказываются буквально зажаты в порочном кругу из неприемлемых рисков. Мало того, получается, что побег из лаборатории даже одиночного генно-модифицированного животного с «драйвовыми» генами потенциально может привести к самым непредсказуемым последствиям. А уж какой тут простор для биотерроризма! Осознание этих простых истин пришло практически мгновенно, поэтому последние годы на западных исследователей, занимающихся изучением безопасности генного драйва, проливается настоящий дождь из государственных грантов.

И нужно сказать, что первые итоги их исследований успокаивают. Конец света опять отменяется. Математическое моделирование и лабораторные опыты показывают, что организмы способны довольно быстро вырабатывать устойчивость к генному драйву, за счёт мутаций в участках распознавания нуклеазы. В популяции достаточного размера всегда найдутся особи, обладающие устойчивым к драйву генотипом. Чем вреднее гены, которые мы насаждаем — тем быстрее будет распространяться устойчивость. И наоборот, если вредность гена не стоит затрат на приобретение устойчивости — устойчивость практически не проявляется. Другое, недавнее моделирование показывает, что ген может успешно «драйвить» в популяцию, только если его адаптивная цена не будет слишком большой. Да и количество ГМО-особей, необходимых для успешного запуска цепной мутагенной реакции сильно зависит от «вредности» вносимого гена, и измеряется уж никак не штуками.

Так что, судя по всему, предположения об опасности генного драйва изрядно преувеличены. Более того, оказывается само успешное внесение гена в популяцию требует борьбы с устойчивостью популяции к этому внесению — так, например, последние исследования предлагают использовать для этого целый набор различных «гидовых» РНК, которые будут наводить нуклеазу CAS9 на несколько независимых целей в геноме. Чем больше разных РНК используется — тем большим охват популяции мы получим, даже при внесении «вредных» генов.

Между тем, группа сотрудников Массачусетского технологического института предложила оригинальный механизм ограничения генного драйва. Он получил название daisy-chain — «цветочная гирлянда». В ней предлагается разнести необходимые для драйва элементы на разные хромосомы. Например, так: два из этих трёх изолированных элементов — целевой вносимый ген и ген гидовой РНК остаются окружёнными повторами и «драйвят» с помощью нуклеазы, а третий ген — ген этой самой нуклеазы CAS9, необходимой для драйва, сам к драйву не способен и передаётся по традиционным менделевским законам. В итоге, генный драйв есть, но он строго ограничен числом носителей третьего гена, играющего по менделевским правилам. Теперь любой драйв зависит от него. Если драйв имеет какую-то адаптивную цену, он распространяется лишь ограниченное число поколений, а затем исчезает — потому что, напрочь лишённый «эгоизма» третий ген очень быстро удаляется естественным отбором.

Теперь в ближайших планах авторов «гирлянды» — обкатка метода в дикой природе на микроскопических круглых червях нематодах. Между тем, британская фирма Oxitec уже более двух лет ведёт проект по снижению численности малярийных комаров в окрестностях города Эльдорадо в Бразилии. Правда, при этом применяется несколько урезанная версия генного драйва — фирма производит, а затем выпускает на свободу генно-модифицированных комаров-самцов. Спариваясь с дикими самками, подсадные комарики производят нежизнеспособное потомство, эффективно снижая численность собратьев по виду (по утверждению самой фирмы — более чем на 90%). Одновременно, из-за быстрой гибели потомства ГМО-особей, гены просто не получают возможности распространиться и цепной мутагенной реакции не происходит.

Ну и напоследок нельзя не вспомнить о Новой Зеландии. Пожалуй, эта страна знает больше всего о цене необдуманного вторжения в дела природы. Но тем не менее новозеландские экологи возлагают огромные надежды на генный драйв. На островах ведётся скурпулёзная подготовка к реализации одного из самых амбициозных экологических проектов в истории — Predator Free 2050. Само название как бы намекает, на то что до середины текущего столетия новозеландские экологи планируют полностью избавиться от хищников, обильно понаехавшим на острова вместе с людьми за предыдущую тысячу лет. Возможно, именно здесь генный драйв впервые будет опробован на млекопитающих, в первую очередь — грызунах, которые уже не одну сотню лет кошмарят местных какапо, кудлатых киви и прочих гигантантских уэт.

Уэта Deinacrida rugosa. Фото: d_kluza / inaturalist.org / CC BY-NC-ND 4.0

Разумный скепсис, тревоги и сомнения — всегда должны сопровождать любое вмешательство в природу. Но, по правде говоря, наш биологический вид на протяжении всей своей истории грубо менял эту природу под себя, не особо разбираясь в средствах. Так уж мы устроены. Но времена меняются, и, возможно, столь мощные биотехнологии, как генный драйв, наконец-то помогут нам перейти от грубой ломки биосферы к её аккуратному обустройству и мягкой, разумной подстройке под свои потребности.

Источник

Генный драйв — Gene drive

Привод ген представляет собой естественный процесс и технология генной инженерии , которая распространяется определенный набор генов всей популяции путем изменения вероятности того, что конкретная аллель будет передаваться потомству (вместо Менделевское 50% вероятности). Генные побуждения могут возникать через множество механизмов. Было предложено обеспечить эффективное средство генетической модификации определенных популяций и целых видов.

Этот метод может использовать добавление, удаление, разрушение или изменение генов.

Предлагаемые области применения включают уничтожение насекомых, являющихся переносчиками патогенов (особенно комаров, переносящих возбудители малярии , денге и вируса Зика ), борьбу с инвазивными видами или устранение устойчивости к гербицидам или пестицидам .

Как и в случае с любой потенциально мощной техникой, генный драйв может использоваться различными способами или вызывать непредвиденные последствия . Например, генный драйв, предназначенный для воздействия только на местную популяцию, может распространиться на весь вид. Генные драйвы, используемые для искоренения популяций инвазивных видов в их чужеродных средах обитания, могут иметь последствия для популяции вида в целом, даже в его естественной среде обитания. Любое случайное возвращение особей вида в его первоначальные места обитания в результате естественной миграции, нарушения окружающей среды (штормы, наводнения и т. Д.), Случайной перевозки людей или целенаправленного перемещения может непреднамеренно привести к исчезновению вида, если перемещенные особи несут вредный ген. диски.

Генный драйв может быть построен из многих естественных эгоистичных генетических элементов , использующих множество молекулярных механизмов. Эти естественные механизмы вызывают подобное нарушение сегрегации в дикой природе, возникающее, когда аллели развивают молекулярные механизмы, которые дают им шанс передачи, превышающий нормальные 50%.

Большинство генов было разработано у насекомых, особенно у комаров, как способ борьбы с болезнетворными микроорганизмами, переносимыми насекомыми. Недавние разработки позволили создать генные диски непосредственно в вирусах, особенно герпесвирусах . Эти вирусные генные движения могут распространять модификацию в популяцию вирусов и стремиться снизить инфекционность вируса.

СОДЕРЖАНИЕ

Механизм

У видов, размножающихся половым путем , большинство генов присутствует в двух копиях (которые могут быть одинаковыми или разными аллелями ), каждая из которых имеет 50% шанс передать потомку. Смещая наследование определенных измененных генов, синтетические генные драйвы могут распространять изменения в популяции.

Молекулярные механизмы

На молекулярном уровне ген-драйв эндонуклеазы работает, разрезая хромосому в определенном месте, которое не кодирует диск, побуждая клетку восстанавливать повреждение путем копирования последовательности диска на поврежденную хромосому. Затем в ячейке есть две копии последовательности дисков. Этот метод основан на методах редактирования генома и основан на том факте, что двухцепочечные разрывы чаще всего восстанавливаются посредством гомологичной рекомбинации (в присутствии шаблона), а не негомологичного соединения концов . Для достижения этого поведения генные накопители эндонуклеаз состоят из двух вложенных элементов:

  • либо самонаводящаяся эндонуклеаза, либо эндонуклеаза, управляемая РНК (например, Cas9 или Cas12a ), и ее направляющая РНК , которая разрезает последовательность-мишень в клетках-реципиентах
  • матричная последовательность, используемая механизмом репарации ДНК после разрезания целевой последовательности. Для достижения самораспространяющейся природы генных движений эта репарационная матрица содержит, по крайней мере, последовательность эндонуклеазы. Поскольку матрица должна использоваться для восстановления двухцепочечного разрыва в месте разрезания, его стороны гомологичны последовательностям, которые примыкают к сайту разреза в геноме хозяина. Направляя генный драйв на кодирующую последовательность гена, этот ген будет инактивирован; дополнительные последовательности могут быть введены в генный драйв для кодирования новых функций.

В результате встраивание генного привода в геном будет повторяться в каждом организме, который наследует одну копию модификации и одну копию гена дикого типа. Если генный драйв уже присутствует в яйцеклетке (например, когда он получен от одного из родителей), все гаметы индивидуума будут нести генный драйв (вместо 50% в случае нормального гена).

Распространение среди населения

Поскольку с каждым поколением он не может более чем удваиваться по частоте, генный драйв, внедренный у одного человека, обычно требует десятков поколений, чтобы затронуть значительную часть популяции. С другой стороны, выпуск в достаточном количестве организмов, содержащих драйв, может повлиять на остальные в течение нескольких поколений; например, вводя его в каждую тысячную особь, требуется всего 12–15 поколений, чтобы присутствовать у всех особей. Станет ли генный драйв в конечном итоге закрепленным в популяции и с какой скоростью зависит от его влияния на индивидуальную приспособленность, скорость преобразования аллелей и структуру популяции. В хорошо смешанной популяции и с реалистичными частотами конверсии аллелей (≈90%) популяционная генетика предсказывает, что генные двигатели фиксируются для коэффициента отбора меньше 0,3; Другими словами, генные драйвы могут использоваться для распространения модификаций, если репродуктивный успех не снижается более чем на 30%. Это контрастирует с нормальными генами, которые могут распространяться среди больших популяций только в том случае, если они улучшают приспособленность.

Генный драйв в вирусах

Поскольку стратегия обычно основана на одновременном присутствии немодифицированного аллеля и аллеля генного привода в одном и том же ядре клетки , обычно предполагалось, что генный драйв может быть создан только у организмов, размножающихся половым путем, за исключением бактерий и вирусов . Однако во время вирусной инфекции вирусы могут накапливать сотни или тысячи копий генома в инфицированных клетках. Кроме того, клетки часто коинфицируются множеством вирионов, и рекомбинация между вирусными геномами является хорошо известным и широко распространенным источником разнообразия для многих вирусов. В частности, герпесвирусы представляют собой ДНК-вирусы, реплицирующиеся в ядре, с большими геномами двухцепочечной ДНК и часто подвергаются гомологичной рекомбинации во время цикла репликации.

Эти свойства позволили разработать стратегию генного привода, которая не включает половое размножение, но полагается на совместное инфицирование данной клетки естественным и созданным вирусами. При коинфекции немодифицированный геном разрезается и восстанавливается путем гомологичной рекомбинации, производя новые вирусы, управляющие генами, которые могут постепенно замещать естественную популяцию. В экспериментах на клеточных культурах было показано, что вирусный генный драйв может распространяться в вирусной популяции и сильно снижать инфекционность вируса, что открывает новые терапевтические стратегии против герпесвирусов.

Технические ограничения

Поскольку генные двигатели распространяются путем замены других аллелей, которые содержат участок разреза и соответствующие гомологии, их применение в основном ограничивается видами, размножающимися половым путем (поскольку они являются диплоидными или полиплоидными и аллели смешиваются в каждом поколении). В качестве побочного эффекта инбридинг в принципе может быть механизмом ускользания, но степень, в которой это может произойти на практике, трудно оценить.

Из-за количества поколений, необходимых для того, чтобы генный драйв повлиял на всю популяцию, время универсальности зависит от репродуктивного цикла каждого вида: для некоторых беспозвоночных может потребоваться менее года, а для организмов — столетия с интервалами в несколько лет. между рождением и половым созреванием , как у людей. Следовательно, эта технология наиболее широко используется у быстро размножающихся видов.

Проблемы

Исследователи выделили следующие проблемы:

  • Мутации: Мутация может произойти на середине пути, что может позволить нежелательным чертам «ускользнуть».
  • Побег: скрещивание или поток генов потенциально позволяют движению выйти за пределы целевой популяции.
  • Воздействие на окружающую среду: даже если понятно прямое влияние новых черт на цель, влечение может иметь побочные эффекты для окружающей среды.

Broad институт Массачусетский технологический институт и Гарвардский добавил генные диски в перечень видов применения генной технологии редактированием не думаю , что компании должны стремиться.

Проблемы биоэтики

Генные побуждения влияют на все будущие поколения и представляют возможность более значительных изменений в живом виде, чем это было возможно раньше.

В декабре 2015 года ученые ведущих мировых академий призвали к мораторию на наследуемые изменения генома человека, которые могут повлиять на зародышевую линию, в том числе связанные с технологиями CRISPR-Cas9 , но поддержали продолжение фундаментальных исследований и редактирования генов, которые не повлияют на будущие поколения. В феврале 2016 года регуляторы разрешили британским ученым генетически модифицировать человеческие эмбрионы с помощью CRISPR-Cas9 и связанных с ними методов при условии, что эмбрионы будут уничтожены в течение семи дней. В июне 2016 года Национальные академии наук, инженерии и медицины США опубликовали отчет о своих «Рекомендациях по ответственному поведению» в отношении генных побуждений.

Модели предполагают, что ориентированные на вымирание генные драйвы уничтожат целевые виды и что движущие силы могут охватить популяции, превышающие цель, при минимальной связи между ними.

Кевин М. Эсвелт заявил, что необходим открытый разговор о безопасности генов: «На наш взгляд, разумно предположить, что инвазивные и самораспространяющиеся системы генов могут распространиться на каждую популяцию целевых видов по всему миру. Соответственно, они должны быть построены только для борьбы с настоящими эпидемиями, такими как малярия, для которых у нас мало адекватных мер противодействия и которые предлагают реалистичный путь к международному соглашению для развертывания между всеми затронутыми странами ». Он перешел к открытой модели для своего собственного исследования использования генного влечения для искоренения болезни Лайма в Нантакете и Мартс-Виньярд . Эсвелт и его коллеги предположили, что CRISPR можно использовать для спасения находящихся под угрозой исчезновения диких животных от исчезновения. Позже Эсвелт отказался от своей поддержки идеи, за исключением чрезвычайно опасных популяций, таких как малярийные комары и изолированные острова, которые не позволили бы распространиться за пределы целевой области.

История

Остин Берт, эволюционный генетик из Имперского колледжа Лондона , представил возможность проведения генного драйва на основе естественных самонаводящихся эндонуклеазных эгоистичных генетических элементов в 2003 году.

Исследователи уже показали, что такие гены могут действовать эгоистично и быстро распространяться среди последующих поколений. Берт предположил, что генный драйв может быть использован для предотвращения передачи малярийного паразита популяцией комаров или для уничтожения популяции комаров. Генный драйв на основе самонаводящихся эндонуклеаз был продемонстрирован в лаборатории на трансгенных популяциях комаров и плодовых мух. Однако самонаводящиеся эндонуклеазы специфичны для последовательности. Изменение их специфичности для нацеливания на другие представляющие интерес последовательности остается серьезной проблемой. Возможные применения генного драйва оставались ограниченными до открытия CRISPR и связанных с ним РНК-управляемых эндонуклеаз, таких как Cas9 и Cas12a .

В июне 2014 года Специальная программа Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) по исследованиям и обучению тропических болезней выпустила руководство по оценке генетически модифицированных комаров. В 2013 году Европейское агентство по безопасности пищевых продуктов выпустило протокол экологической оценки всех генетически модифицированных организмов .

Финансирование

Проект Target Malaria , финансируемый Фондом Билла и Мелинды Гейтс , вложил 75 миллионов долларов в технологию генного привода. По первоначальным оценкам фонда, технология будет готова к использованию в полевых условиях к 2029 году где-нибудь в Африке. Однако в 2016 году Гейтс изменил эту оценку на некоторое время в течение следующих двух лет. В декабре 2017 года документы, опубликованные в соответствии с Законом о свободе информации, показали, что DARPA инвестировало 100 миллионов долларов в исследования генного драйва.

Стратегии контроля

Ученые разработали несколько стратегий для сохранения контроля над генами.

В 2020 году исследователи сообщили о разработке двух элементов, содержащих только РНК- активную направляющую, которые, согласно их исследованию, могут позволить остановить или удалить генные драйвы, введенные в популяции в дикой природе, с помощью редактирования гена CRISPR-Cas9 . Старший автор статьи предупреждает, что две нейтрализующие системы, которые они продемонстрировали в клеточных испытаниях, «не должны использоваться с ложным чувством безопасности для полевых генных приводов».

Если в элиминации нет необходимости, может быть желательно намеренно сохранить целевую популяцию на более низком уровне с помощью менее жесткой технологии генного драйва. Это работает, поддерживая полудефектную популяцию в течение неопределенного времени в целевой области, тем самым вытесняя потенциальные близлежащие дикие популяции, которые в противном случае вернулись бы, чтобы заполнить пустоту.

CRISPR

CRISPR — это метод редактирования ДНК, который делает генную инженерию быстрее, проще и эффективнее. Подход включает экспрессию РНК- управляемой эндонуклеазы, такой как Cas9, вместе с направляющими РНК, направляющими ее в конкретную последовательность, которая должна быть отредактирована. Когда эндонуклеаза разрезает последовательность-мишень, клетка восстанавливает повреждение, заменяя исходную последовательность гомологичной ДНК. Путем введения дополнительной матрицы с соответствующими гомологами можно использовать эндонуклеазу для удаления, добавления или модификации генов беспрецедентно простым способом. По состоянию на 2014 год он был протестирован на клетках 20 видов, включая человека. У многих из этих видов правки изменили зародышевую линию организма , позволив им унаследоваться.

В 2014 году Эсвелт и его коллеги впервые предположили, что CRISPR / Cas9 может использоваться для создания генов-приводов эндонуклеаз. В 2015 году исследователи опубликовали успешную разработку генов-драйвов на основе CRISPR у Saccharomyces , Drosophila и комаров . Все четыре исследования продемонстрировали эффективное искажение наследования в последующих поколениях, а одно исследование продемонстрировало распространение генного драйва в лабораторных популяциях. Ожидалось, что аллели устойчивости к драйверу возникнут для каждого из описанных генных влечений, однако это можно было бы отсрочить или предотвратить путем нацеливания на высококонсервативные сайты, в которых устойчивость, как ожидается, будет иметь серьезные затраты на приспособленность.

Благодаря гибкости таргетинга CRISPR, генные драйвы теоретически можно использовать для конструирования практически любого признака. В отличие от предыдущих разработок, они могут быть адаптированы для блокирования эволюции устойчивости к возбудителям в целевой популяции путем нацеливания на несколько последовательностей в соответствующих генах. CRISPR может позволить использовать множество архитектур генов, предназначенных для управления популяциями, а не для их уничтожения.

Приложения

Генные двигатели имеют два основных класса применения, которые имеют разное значение:

  • ввести генетическую модификацию в лабораторных популяциях; как только штамм или линия, несущая генный драйв, была произведена, драйв может быть передан любой другой линии путем спаривания. Здесь генный драйв используется для более легкого решения задачи, которую можно было бы решить с помощью других методов.
  • ввести генетическую модификацию в дикие популяции. Генные драйвы представляют собой серьезное развитие, которое делает возможными ранее недостижимые изменения.

Из-за беспрецедентного потенциального риска были предложены и испытаны защитные механизмы.

Виды переносчиков болезней

Одно из возможных применений — генетическая модификация комаров и других переносчиков болезней, чтобы они не могли передавать такие болезни, как малярия и лихорадка денге . Исследователи заявили, что, применив эту технику к 1% дикой популяции комаров, они смогут искоренить малярию в течение года.

Борьба с инвазивными видами

Генный драйв может быть использован для уничтожения инвазивных видов и, например, был предложен как способ уничтожения инвазивных видов в Новой Зеландии . Генные двигатели в целях сохранения биоразнообразия изучаются в рамках программы «Генетический биоконтроль инвазивных грызунов» (GBIRd), поскольку они позволяют снизить риск для нецелевых видов и снизить затраты по сравнению с традиционными методами удаления инвазивных видов. Учитывая риски такого подхода, описанного ниже, партнерство GBIRd придерживается целенаправленного, поэтапного процесса, который будет осуществляться только после согласования с общественностью, как это рекомендовано ведущими мировыми исследователями генного драйва из Национальной академии наук Австралии и США и многие другие. Для повышения осведомленности о ценности исследований генного влечения для общественного блага существует более широкая сеть информационно-пропагандистских мероприятий.

Некоторые ученые обеспокоены этим методом, опасаясь, что он может распространиться и уничтожить виды в естественной среде обитания. Ген мог мутировать, потенциально вызывая непредвиденные проблемы (как и любой ген). Многие неместные виды могут гибридизоваться с местными видами, так что генный драйв, поражающий неместное растение или животное, гибридизирующееся с местным видом, может обречь местный вид на гибель. Многие неместные виды настолько хорошо прижились в своей новой среде, что сельскохозяйственные культуры и / или местные виды адаптировались, чтобы зависеть от них.

Бесплатные Хищники 2050

Проект Predator Free 2050 — это правительственная программа Новой Зеландии по полному уничтожению восьми инвазивных видов хищников из числа млекопитающих (включая крыс, короткохвостых ласок и опоссумов) из страны к 2050 году. Впервые проекты были объявлены в 2016 году премьер-министром Новой Зеландии Джоном. Ки, а в январе 2017 года было объявлено, что в этих усилиях будет использоваться генный драйв. В 2017 году одна группа в Австралии, а другая в Техасе опубликовали предварительные исследования по созданию « мышей без дочерей » с использованием генов у млекопитающих.

Калифорния

В 2017 году ученые из Калифорнийского университета в Риверсайде разработали генный стимул для нападения на инвазивную пятнистую дрозофилу , вид плодовой мухи, произрастающей в Азии, которая обходится вишневым хозяйствам Калифорнии в 700 миллионов долларов в год из-за остроконечного яйцеклада, который у нее на хвосте. уничтожает безупречный плод. Основная альтернативная стратегия борьбы включает использование инсектицидов, называемых пиретроидами, которые убивают почти всех насекомых, с которыми контактируют.

Благополучие диких животных

Философ-трансгуманист Дэвид Пирс выступал за использование основанных на CRISPR генных движений для уменьшения страданий диких животных . Кевин М. Эсвелт , американский биолог, который помог разработать технологию генного привода, утверждал, что есть моральные основания для уничтожения мухи Нового Света с помощью таких технологий из-за огромных страданий, которые испытывают зараженные дикие животные, когда их едят заживо. .

Источник

You may also like...