Исследователи изучают возможность использования революционного инструмента редактирования генов CRISPR-Cas9 для борьбы с болезнями человека и сельскохозяйственными болезнями. Но исследование, проведенное в Университете Индианы, выявило ряд проблем, связанных с использованием этого метода для спасения жизней и урожая.
Исследование, опубликованное в журнале Science Advances, сочетает в себе расширенный генетический и статистический анализы, чтобы показать, как определенные генетические и поведенческие качества у насекомых-переносчиков болезней, таких как комары, делают эти виды устойчивыми к генетическим манипуляциям.
Эта резистентность может осложнить попытки использовать CRISPR-Cas9 в борьбе с малярией - смертельной переносимой комарами болезнью, которая угрожает более чем 3 миллиардам человек во всем мире, - или болезнями сельскохозяйственных культур, такими как западный кукурузный жук, инвазивный вид, который стоит ежегодно потери урожая в США составляют около 1 миллиарда долларов.
Открытие системы CRISPR-Cas9 - или просто «CRISPR» - в начале 2010-х годов обеспечило беспрецедентный уровень точности генетического редактирования. Ученые могут использовать этот метод для разработки высокоточных генетических «ножниц», которые вырезают и заменяют определенные части генома последовательностями по своему выбору. В конце 2015 года двое английских ученых первыми продемонстрировали, что этот метод может способствовать распространению бесплодия среди переносчиков болезней комаров.
«Мы обнаружили, что небольшая генетическая изменчивость внутри вида, а также склонность многих насекомых к инбридингу могут серьезно повлиять на эффективность попыток уменьшить их численность с помощью технологии CRISPR», - сказал Майкл Дж. Уэйд, заслуженный профессор биологии Университета Блумингтона. «Хотя эти встречающиеся в природе генетические варианты, устойчивые к CRISPR, встречаются редко, их достаточно, чтобы остановить попытки контроля над популяцией с помощью генетических технологий, быстро вернув дикие популяции к их прежним, «до-CRISPR» номерам».
Это означает, что дорогостоящие и трудоемкие усилия по внедрению генов, которые могли бы контролировать популяции насекомых, например признак, который заставляет самок комаров откладывать меньше яиц, исчезнут через несколько месяцев. Это связано с тем, что самцы комаров, передающие новые гены, поскольку они не кусаются, живут всего около 10 дней.
Защитный эффект естественной генетической изменчивости достаточно силен, чтобы преодолеть использование «генных драйвов», основанных на технологии CRISPR, - если только генетический драйв не соответствует генетическому фону конкретной целевой популяции, добавил Уэйд.. Генные драйвы относятся к генам, которые распространяются со скоростью почти 90 процентов, что значительно выше, чем нормальная 50-процентная вероятность унаследованности, которая имеет место у организмов, размножающихся половым путем.
Уэйд, эксперт по «эгоистичным генам», которые функционируют аналогично генным драйвам из-за их «супердарвиновской» способности быстро распространяться в популяции, объединился с коллегами из IU, включая Габриэля Э. Зентнера, эксперт в области генетических инструментов на основе CRISPR и доцент кафедры биологии - для изучения эффективности основанного на CRISPR контроля популяции мучных жуков, видов, которые, по оценкам, уничтожают 20 процентов мирового зерна после сбора урожая.
Команда разработала вмешательства на основе CRISPR, нацеленные на три сегмента генома мучного жука из четырех частей мира: Индии, Испании, Перу и Индианы. Затем они проанализировали ДНК всех четырех разновидностей жуков и обнаружили встречающиеся в природе варианты в целевой последовательности генов, присутствие которых может повлиять на эффективность технологии на основе CRISPR.
Анализ выявил генетическую изменчивость у всех четырех видов почти в каждом проанализированном сегменте ДНК, в том числе уровень дисперсии достигает 28 процентов у перуанских жуков. Примечательно, что статистический анализ Уэйда показал, что уровня генетической изменчивости всего 1 процент в сочетании с уровнем инбридинга, характерным для комаров в дикой природе, было достаточно, чтобы исключить любые методы контроля популяции, основанные на CRISPR, за шесть поколений.
Результаты показывают, что тщательный анализ генетической изменчивости в целевой популяции должен предшествовать усилиям по борьбе с переносчиками болезней насекомых с использованием технологии CRISPR. Они также предполагают, что непреднамеренное распространение модифицированных генов по всему земному шару маловероятно, поскольку типичные уровни генетической изменчивости создают естественные препятствия для распространения между регионами или видами.
«Основываясь на этом исследовании, любой, кто пытается сократить популяции насекомых с помощью этого метода, должен провести тщательный генетический анализ области целевого гена, чтобы оценить скорость вариации», - сказал Уэйд. «Это поможет предсказать эффективность метода, а также даст представление о способах обойти естественную генетическую изменчивость за счет использования вариантов Cas9 с измененной специфичностью последовательности."