Успокойтесь, ребята. Армии генетически модифицированных супервидов вряд ли завоюют Землю в ближайшее время.
В статье, недавно опубликованной в журнале Genetics, исследователь из Канзасского университета и его коллеги из Корнелльского университета выявили пугающие проблемы, связанные с изменением ДНК целых популяций видов с помощью наиболее многообещающих методов, доступных сегодня для создания «генного драйва».."
На протяжении десятилетий ученые предлагали различные методы генетического изменения естественных популяций для решения проблем, которые досаждают людям.
«Природа часто вмешивается в то, каким люди хотели бы видеть мир», - сказал ведущий автор Роберт Унклесс, доцент кафедры молекулярной биологии Калифорнийского университета. «Хорошими примерами этого являются вредители сельскохозяйственных культур и болезни, переносимые насекомыми, такие как вирус Зика, лихорадка денге или малярия».
Обсуждения модификации конкретных генов на уровне популяции носили в основном теоретический характер, потому что генетические правки, внедряемые в популяцию, также, как правило, имели «цену приспособления», сокращая продолжительность жизни измененных особей или делая их бесплодными. Таким образом, естественный отбор отдает предпочтение особям, у которых отсутствуют модифицированные гены, и устраняет данное генетическое изменение в популяции в течение нескольких поколений..
Но ученые получили новое преимущество с появлением методов, использующих «эгоистичные гены», которые используют природные элементы для обмана генетического «менделевского наследования», благодаря чему потомство модифицированных и немодифицированных организмов с одинаковой вероятностью наследует черты от любой из родителей - и преодолеть затраты на фитнес.
«Есть несколько примеров эгоистичных генетических элементов, которые обманывают законы Менделя, поэтому вместо 50-процентной вероятности передачи модифицированного гена потомству у них есть 80 или 90-процентная вероятность», - сказал Унклесс. «Поступая так, они гораздо быстрее распространяются среди населения».
Исследователь KU сказал, связав мутацию, укорачивающую продолжительность жизни или устойчивость к лихорадке денге у комаров, например, с одним из этих эгоистичных генетических элементов, которые могут влиять на популяции, ученые нашли способ преодолеть затраты на приспособление. «Это компенсируется продолжающимся менделевским мошенничеством, поэтому вы можете распространять его среди населения. Это известно как «генный драйв». исследователи из Калифорнии включили CRISPR/Cas9 в свои конструкции генного драйва. Внезапно мечты о создании суперкомаров для искоренения болезней снова ожили.
«Идея генного драйва, CRISPR/Cas9, в природе представляет собой бактериальную иммунную систему защиты, но она была кооптирована в генетических лабораториях по всему миру для нацеливания на определенные последовательности и создания мутаций этих последовательностей», - он сказал.
Исследователь KU сказал, что подход CRISPR/Cas9 идентифицирует целевую генетическую последовательность и создает там мутацию, внедряя себя в качестве генетического механизма этой последовательности ДНК.
«Итак, наука создала механизм для распознавания последовательности, ее вырезания и вставки нужного нам генетического материала», - сказал Унклесс. «Это может включать механизм CRISPR/Cas9, а также новый ген, обеспечивающий, например, устойчивость к лихорадке денге у комаров, поэтому они распространяются вместе. Всего за несколько поколений вы переходите от почти полного отсутствия копий мутации к население к нему «привязано», поэтому оно есть у каждого человека в популяции - по крайней мере, такова была простая теория.«Тем не менее, столкнувшись с новым и изощренным методом генного драйва CRISPR/Cas9, природа все еще, вероятно, будет сопротивляться, чтобы успешно противостоять мутации», - сказал Унклесс..
«Мы ожидаем, что аллели резистентности появятся либо до того, как влечение сможет распространиться, либо после того, как влечение распространится, и в конечном итоге заменят влечение», - сказал он. «Если ваша цель состоит в том, чтобы сделать популяцию резистентной к лихорадке денге, вы можете сделать это - и она может сохраняться в течение нескольких поколений или нескольких сотен поколений - но затем она распадается и оставляет после себя аллели резистентности». В новой статье по генетике Унклесс и его соавторы Эндрю Кларк и Филипп Мессер из Корнелла использовали математическое моделирование для расчета вероятности развития этой резистентности, чего ранее не проводилось. Они показывают, что природа по-прежнему имеет преимущество перед учеными, надеющимися решить человеческие проблемы с помощью ГМ-организмов.
«В принципе, глядя на цифры и предполагая простую систему генного драйва, можно сделать вывод, что резистентность будет развиваться», - сказал Унклесс.«Это основная идея. Мы утверждаем, что резистентность можно считать хорошей вещью - если мы знаем, что она будет развиваться, мы можем спланировать ее, и понимаем, что генный драйв - это временное решение. Скажем, мы знаем период полураспада это генетическое решение - это x количество поколений, мы можем отслеживать его, и по мере того, как устойчивость начинает развиваться, мы можем создать новую».
Унклесс сказал, что CRISPR/Cas9 создает двухцепочечный разрыв ДНК, который организм восстанавливает с помощью одного из двух методов, известных как «негомологичное соединение концов» (NHEJ) и «репарация, направленная на гомологию».
«Если вам нужно починить свою машину, потому что вы знаете, что часть двигателя отсутствует, и вы решаете: «Я собираюсь просто соединить части случайным образом - это NHEJ», - сказал он. «Очевидно, что в большинстве случаев это не работает. С другой стороны, существует репарация, направленная на гомологию. Она использует шаблон, которым обычно является другая хромосома, потому что обычно есть две копии. Это как идеальный шаблон для ремонта Honda Civic 2007 года выпуска. Вы идете к своему соседу, у которого такая же машина, сравниваете их и говорите: «Вот что не так, и вы исправите это, основываясь на этом».
Но организмы используют как NHEJ, так и репарацию, направленную на гомологию. Чтобы генный драйв CRISPR/Cas9 был наиболее эффективным, он должен быть «настроен» на репарацию, направленную на гомологию.
"Если вы этого не сделаете, NHEJ все испортит, потому что он создает аллели резистентности", - сказал Унклесс.
Исследователи пришли к выводу, что, как и другие попытки манипулировать популяциями, генный драйв, вероятно, приведет к появлению аллелей резистентности. Однако, зная это, ученые могут надлежащим образом подготовиться к динамической системе генного драйва с новыми конструкциями, реагирующими на появление аллелей резистентности.
«Вам нужно следить за генным драйвом», - сказал он. «Когда вы видите, что возникает сопротивление, вы вводите что-то новое, что преодолевает сопротивление».