Как системы генного драйва могут бороться с инвазивными видами

Инвазивные виды: растущий экологический кризис

Инвазивные виды являются неместными организмами, которые, будучи введенными в новые среды, наносят ущерб экономике, окружающей среде или здоровью человека. В настоящее время они признаны одним из пяти ведущих факторов глобальной потери биоразнообразия, наряду с разрушением среды обитания, чрезмерной эксплуатацией, загрязнением и изменением климата. Экономические издержки ошеломляют: исследование 2021 года в Природа оценило, что инвазивные виды стоили мировой экономике не менее 1,28 триллиона долларов за последние 50 лет, а ежегодные расходы в настоящее время превышают 400 миллиардов долларов.

Экологически инвазивные виды разрушают местную среду обитания, вытесняют или охотятся на местные виды, вводят болезни и нарушают экосистемные услуги. Классические примеры включают коричневую змею на Гуаме, которая уничтожила большинство местных лесных птиц острова; мидии зебры в североамериканских водных путях, которые забивают инфраструктуру и изменяют водные пищевые сети; и тростниковые жабки в Австралии, которые отравляют местных хищников. Островные экосистемы особенно уязвимы: почти 75% всех исторических видов вымирания произошли на островах, и инвазивные виды вовлечены в большинство из этих случаев.

Традиционные методы контроля — отравление, ловушка, стрельба, биологический контроль (введение естественных врагов) и управление средой обитания — могут быть эффективными, но сталкиваются с серьезными ограничениями. Химические пестициды часто наносят вред нецелевым видам, вызывают загрязнение окружающей среды и могут привести к резистентности. Механическое удаление является трудоемким, дорогостоящим и редко достигает полной ликвидации на больших площадях. Биологический контроль несет свои риски непреднамеренных экологических каскадов. Существует насущная необходимость в более точных, масштабируемых и гуманных инструментах. Недавние достижения в области генной инженерии, особенно разработка систем привода генов , предлагают радикально новый подход.

Что такое системы Gene Drive?

Генные системы привода — это генетические элементы, которые смещают наследование так, что конкретный признак распространяется по популяции быстрее, чем это происходит при нормальном менделевском наследовании. В менделевской генетике вариант гена (аллель) имеет 50%-ную вероятность передачи от родителя к потомству. Генный драйв может увеличить эту вероятность почти до 100%, гарантируя, что желаемая генетическая модификация передается практически всем потомкам — даже если это снижает приспособленность организма другими способами.

Основной механизм опирается на нуклеазу, специфичную к последовательности (например, CRISPR-Cas9), которая интегрирована в геном вместе с желаемой полезной нагрузкой (например, геном, придающий бесплодие). Во время размножения нуклеаза разрезает гомологичную хромосому в определенном месте. Природный механизм восстановления ДНК клетки затем копирует кассету генного драйва на сломанную хромосому, превращая гетерозиготного человека в гомозиготную для привода. Этот процесс «копирования и пасты» гарантирует, что диск распространяется через популяцию в течение нескольких поколений.

Генные приводы могут быть разработаны для различных целей: подавление популяции (сокращение или устранение вида), модификация популяции (изменение черты, например, создание комаров, устойчивых к патогену) или даже обращение вспять инженерных признаков (обратное приводы). Технология была впервые успешно продемонстрирована в Drosophila в 2015 году и с тех пор было показано, что она работает у комаров, дрожжей и мышей в лабораторных условиях или в условиях клетки.

Ключевые компоненты Gene Drive

• CRISPR-Cas9 нуклеаза: «молекулярные ножницы», которые разрезают ДНК на определенной последовательности-мишени.
• РНК-руководство (gRNA): Направляет нуклеазу к целевому локусу в геноме.
• Нагрузка: Желаемая генетическая модификация должна быть распространена (например, ген стерильности).
• Промоторы: Регулирующие последовательности, управляющие экспрессией нуклеазы и полезной нагрузки.

Исследователи также разрабатывают «расщепленные диски», «системы с цепочками измены» и «системы недоминирования», которые обеспечивают более тонкий контроль и потенциально снижают экологический риск. Эти изменения направлены на ограничение распространения на целевую популяцию или на самоограничение диска с течением времени.

Как генные драйвы могут бороться с инвазивными видами

Генные влечения идеально подходят для контроля инвазивных видов, поскольку они могут распространять вредную черту через популяцию, не требуя повторного вмешательства человека.Цель состоит в том, чтобы либо подавить популяцию (уменьшить ее численность до уровня ниже порога вреда, либо привести к местному вымиранию), либо изменить популяцию (например, сделать ее менее разрушительной).

Для инвазивных видов наиболее часто обсуждаемым применением является подавление с использованием женских приводов бесплодия. Нарушая ген, необходимый для женской фертильности или жизнеспособности, привод может вызвать популяционный крах. Поскольку самцы обычно не наносят прямого вреда, они продолжают спариваться и передавать привод, оказывая сильное подавляющее действие. Математические модели предполагают, что хорошо спроектированный генный драйв может устранить изолированную популяцию инвазивной мыши или комара менее чем за 20 поколений.

Приоритетные цели для генных драйверов

• Инвазивные грызуны на островах: Крысы и мыши являются одними из самых разрушительных инвазивных организмов на островах, вызывая вымирание морских птиц, рептилий и растений. Традиционное уничтожение с использованием грызунов возможно на небольших, необитаемых островах, но является дорогостоящим, логистически сложным и опасным для нецелевой дикой природы. Генный драйв, нацеленный на женскую фертильность, теоретически может быть введен на один остров и распространяться по популяции, в конечном итоге устраняя его. Австралийская организация научных и промышленных исследований Содружества (CSIRO) и международные партнеры активно исследуют такие драйвы для домашних мышей (]Mus musculus и черных крыс (]Rattus rattus.
• Инвазивные комары: В то время как большинство исследований комаров сосредоточено на подавлении переносчиков болезней (например, Anopheles gambiae для малярии), инвазивные комары, такие как Aedes aegypti и Aedes albopictus также распространяют денге, чикунгунью и Зика. Генные приводы могут использоваться для подавления этих популяций за пределами их родного ареала.Целевой малярийный консорциум — ведущая группа, работающая над генными приводами для переносчиков малярии, с потенциальными побочными эффектами для инвазивного управления видами.
• Инвазивная рыба: В пресноводных системах инвазивные рыбы, такие как обыкновенный карп Киприны карпио, уничтожили местные рыбные сообщества в Северной Америке и Австралии. Генный драйв, снижающий жизнеспособность женщин, может помочь контролировать их. Однако водная среда представляет собой уникальные проблемы сдерживания.
• Инвазивные сельскохозяйственные вредители: Осенний армейский червь , мотыльк, уроженец Америки, вторгся в Африку в 2016 году и Азию в 2018 году, что привело к значительным потерям урожая. Генные драйвы потенциально могут быть разработаны для подавления популяции, хотя необходимо учитывать опасения по поводу потока генов в родные диапазоны.
• Инвазивные растения:] Генная инженерия предлагает возможности для подавления инвазивных растений — например, путем нацеливания на гены, необходимые для производства семян или жизнеспособности пыльцы. Однако генные драйвы растений сталкиваются с дополнительными препятствиями из-за полиплоидии, сложных геномов и сложности разработки стабильных драйвов во многих видах растений.