Биологи создали новые генетические системы для нейтрализации генного драйва
За последнее десятилетие исследователи разработали ряд новых инструментов для контроля генетического наследования. Основанные на технологии CRISPR, такие генные драйвы готовы выйти из лабораторий в дикую природу, где их планируют использовать для подавления опасных заболеваний, таких как малярия, лихорадка денге, Зика, чикунгунья, желтая лихорадка и лихорадка Западного Нила, переносимых комарами. Генные драйвы могут иммунизировать комаров против малярийных паразитов или действовать как генетические инсектициды, сокращая популяции комаров.
Хотя новейшие генные драйвы эффективно распространяются в лабораторных условиях, существуют опасения по поводу безопасности их выпуска в дикие популяции. Возникают вопросы о предсказуемости и контролируемости генного драйва и о том, можно ли его «отозвать» в полевых условиях, если он выйдет за пределы целевого региона.
Ученые из Калифорнийского университета в Сан-Диего и их коллеги разработали две новые активные генетические системы, которые решают эти риски, останавливая или устраняя генные драйвы в природе. 18 сентября 2020 года в журнале Molecular Cell исследование под руководством Сян-Жу Сюй, Эмили Булджер и Валентино Ганца представило два решения на основе элементов, разработанных на плодовой мушке Drosophila melanogaster.
«Один из способов смягчить воспринимаемые риски генного драйва — разработать подходы для остановки его распространения или удаления при необходимости», — сказал профессор Итан Бир, старший автор статьи.
Системы нейтрализации
e-CHACR (erasing Constructs Hitchhiking on the Autocatalytic Chain Reaction) — предназначена для остановки распространения генного драйва. e-CHACR использует фермент Cas9 от самого генного драйва, чтобы скопировать себя, одновременно мутируя и инактивируя ген Cas9. e-CHACR можно разместить в любом месте генома.
- Без источника Cas9 он наследуется как обычный ген.
- При встрече с генным драйвом e-CHACR инактивирует его и продолжает распространяться в последующих поколениях, «преследуя» драйв, пока его функция не будет потеряна в популяции.
ERACR (Element Reversing the Autocatalytic Chain Reaction) — предназначена для полного устранения генного драйва. ERACR встраивается в сайт генного драйва и использует его Cas9, чтобы вырезать Cas9 драйва с двух сторон.
- После удаления генного драйва ERACR копирует себя и заменяет его.
- Если ERACR также содержит функциональную копию гена, нарушенного генным драйвом, он полностью и необратимо устраняет генный драйв.
Тестирование и предостережения
Исследователи тщательно протестировали и проанализировали e-CHACR и ERACR на молекулярном уровне. На разработку и анализ систем ушло около 15 лет совокупных усилий, включая работу математических моделлеров из UC Berkeley.
Однако авторы предостерегают, что могут возникнуть непредвиденные сценарии, и к использованию нейтрализующих систем не следует относиться с ложным чувством безопасности.
«Такие тормозящие элементы следует разрабатывать и хранить в резерве на случай необходимости... не известно, могут ли некоторые редкие исключительные взаимодействия между этими элементами и генными драйвами иметь непреднамеренную активность», — отметил Итан Бир.
Ответственное использование
По словам Эмили Булджер, генные драйвы обладают огромным потенциалом для уменьшения страданий, но их ответственное применение зависит от наличия механизмов контроля на случай непредвиденных последствий. ERACR и e-CHACR предлагают способы остановить распространение генного драйва, а ERACR может вернуть модифицированную последовательность ДНК к состоянию, близкому к естественному.
«Поскольку ERACR и e-CHACR не обладают собственным источником Cas9, они будут распространяться только так же далеко, как и сам генный драйв, и не будут редактировать дикую популяцию. Эти технологии не идеальны, но теперь мы гораздо лучше понимаем, как непредвиденные результаты влияют на их функцию, и мы считаем, что они могут стать мощными механизмами контроля генного драйва, если в этом возникнет необходимость», — заключила Булджер.