Гены на основе Crispr способствуют инвазивному уничтожению видов

Введение: Инвазивный кризис видов

Инвазивные виды являются одними из самых разрушительных факторов глобальной потери биоразнообразия, стоивших экономике сотен миллиардов долларов ежегодно и толкающих местные виды к вымиранию. От коричневой древесной змеи на Гуаме до тростниковой жабы в Австралии, эти нежелательные организмы нарушают экосистемные услуги, изменяют режимы огня и распространяют болезни. Обычные методы контроля - ловля, отравление, биологический контроль с естественными врагами и модификация среды обитания - достигли локальных успехов, но часто оказываются слишком медленными, дорогими или экотоксическими, чтобы остановить ущерб в масштабе. На этом фоне появляется радикально новый инструмент: генные драйвы на основе CRISPR. Эти генетические системы могут склонить эволюционные масштабы в пользу сохранения, предлагая самораспространяющийся механизм для подавления или даже устранения целевых инвазивных популяций с помощью одного точного вмешательства. В этой статье исследуется, как работают генные драйвы, их потенциальные применения для инвазивной ликвидации видов и значительные проблемы, которые необходимо преодолеть, прежде чем они могут быть развернуты ответственно.

Что такое CRISPR-ориентированные генные драйвы?

Генные приводы на основе CRISPR являются сконструированными генетическими элементами, предназначенными для смещения наследования, так что конкретный аллель — вариант гена — передается почти всем потомкам, а не менделевским 50%. Они достигают этого, используя систему CRISPR-Cas9: направляющая РНК направляет фермент Cas9 на разрез хромосомы дикого типа в определенном месте, и ремонтная машина клетки копирует конструкцию диска на сломанную хромосому во время гомологически направленного ремонта. В результате гетерозиготные особи становятся гомозиготными для диска, который затем распространяется через популяцию с суперменделевским наследованием. В отличие от естественных генов, которые медленно распространяются через отбор, генный драйв может пронести через популяцию всего за несколько поколений, даже если черта, которую он несет, снижает пригодность.

Ключевые компоненты Gene Drive

• Система CRISPR-Cas9: Молекулярные ножницы, которые разрезают последовательность ДНК-мишени.
• РНК-руководство (gRNA): Короткая молекула РНК, которая направляет Cas9 в точное геномное местоположение, которое должно быть разрезано.
• Грузовые гены: Любые дополнительные генетические последовательности, которые придают желаемый признак, например ген, вызывающий женское бесплодие или флуоресцентный маркер для отслеживания.
• Гомологические рукава: Последовательности ДНК, обрамляющие Cas9 и гРНК, которые позволяют клетке копировать диск в сломанную хромосому.

Первое доказательство концепции генного драйва на основе CRISPR было продемонстрировано в 2015 году у плодовых мух (]Drosophila melanogaster), где исследователи достигли почти 100% наследования аллеля привода. С тех пор приводы были разработаны у комаров, мышей и нескольких других организмов, с сильным акцентом на борьбу с переносчиками болезней и сельскохозяйственных вредителей.

Как генные драйвы работают для инвазивного уничтожения видов?

Стратегия использования генных драйвов против инвазивных видов обычно подразделяется на две категории: подавление популяции или модификация популяции. В подавлении грузовой ген снижает репродуктивную продукцию или выживаемость целевого организма, заставляя популяцию сокращаться и потенциально разрушаться. Например, драйв может быть разработан для нарушения эмбрионального развития, вызывать женскую стерильность или смещать соотношение полов так, чтобы мало или вообще не было женщин. Поскольку драйв распространяется сам по себе, его эффект усиливается с каждым поколением, в конечном итоге разрушая популяцию при пересечении порога.

В модификации популяции привод несет ген, который делает организм менее вредным, например, делает инвазивных мышей устойчивыми к патогену, который они несут, или делает инвазивные растения менее конкурентоспособными. Этот подход менее распространен для искоренения, но может быть полезен для управления видами, которые слишком распространены, чтобы полностью устранить.

Шаги в разработке подавляющего привода для инвазивных видов

1. Выбор цели: Выявить ген или геномную область, которая при нарушении вызывает сильную стоимость пригодности (например, ген определения пола, фактор фертильности или важный ген развития).
2. Ведите конструкцию: Соберите кассету экспрессии CRISPR-Cas9, гРНК, нацеленную на выбранный локус, и гомологические рукава из генома вида.
3. Лабораторное тестирование: Внедрить стремление в лабораторные колонии и измерить скорость наследования, фитнес-эффекты и стабильность в течение многих поколений.
4. Моделирование численности населения: Используйте вычислительные модели для прогнозирования того, как диск будет распространяться в различных сценариях выпуска, включая различные начальные частоты, скорости миграции и наличие аллелей сопротивления.
5. Содержащиеся полевые испытания: Испытание в физически или экологически изолированных средах (например, на удаленных островах, больших клетках) для проверки моделей и оценки экологических взаимодействий до любого открытого выпуска.

• Инвазивные грызуны (крысы, мыши): Грызуны были введены в более чем 80% островных групп мира и ответственны за многочисленные вымирания. Современные методы искоренения основаны на токсичных каплях приманки, которые являются дорогостоящими, неселективными и могут нанести вред местным нецелевые виды. Генные драйвы, которые искажают соотношение полов или вызывают женское бесплодие, могут предложить гуманную, специфическую для вида альтернативу.
• Инвазивные комары: Такие виды, как Aedes albopictus (азиатский тигровый комар) и Anopheles stephensi (азиатский малярийный комар, распространяющийся в Африке) распространяют болезни и превосходят местных насекомых. Подавляющие приводы, предназначенные для уничтожения популяций комаров, находятся на продвинутых стадиях лабораторных испытаний.
• Инвазивные плодовые мушки: Дрозофилы пятнистого крыла Дрозофилы suzukii] вызывают огромные потери в мягких плодовых культурах.Движения генов могут уменьшить популяции вредителей без необходимости инсектицидов широкого спектра действия.
• Инвазивные рыбы и лягушки: Обычный карп и тростниковая жаба являются мишенями для будущего развития двигателя, хотя технические препятствия, такие как более длительное время генерации и сложные геномы, остаются.

Тема: Инициатива «Новая Зеландия без хищников 2050»

Новая Зеландия поставила амбициозную цель искоренить к 2050 году инвазивных крыс, горностаев и опоссумов. Генные драйвы изучаются как потенциальный инструмент для дополнения существующих методов контроля. Исследователи из Университета Отаго и AgResearch разрабатывают генный драйв мыши, который искажает соотношение полов к мужчинам, что может эффективно разрушить популяции островов. Пока еще не готовы к полевым испытаниям, эта работа иллюстрирует, как даже очень амбициозные цели сохранения могут быть достижимы с помощью генетического биоконтроля.

Преимущества генной приводной эрадикации

• Специфика видов: Поскольку привод нацелен на последовательность ДНК, уникальную для инвазивных видов, местные организмы, которым не хватает этой последовательности, не подвержены воздействию. Это контрастирует с химическими пестицидами, которые часто наносят вред полезным насекомым, опылителям и почвенным организмам.
• Самоподдерживающееся действие: После выпуска накопитель распространяется и усиливается сам по себе, требуя только одного (или нескольких) выпуска. Это устраняет необходимость повторных приложений и связанных с ними логистических затрат.
• Экономическая эффективность с течением времени:] Первоначальные инвестиции в исследования и разработки высоки, но долгосрочные затраты на искоренение могут быть намного ниже, чем обычные методы, особенно для больших или отдаленных районов.
• Человечество и благополучие:] Подавляющие факторы, которые вызывают бесплодие или летальные фенотипы в раннем развитии, могут считаться более гуманными, чем отравление, которое часто вызывает длительные страдания.
• Потенциал для постоянных результатов: Хорошо спроектированный привод может устранить целевую популяцию, предотвращая повторное вторжение и устраняя необходимость постоянного контроля.

Проблемы и этические соображения

Несмотря на обещание, генные драйвы представляют собой глубокие технические, экологические и этические проблемы, которые должны быть решены до любого использования в полевых условиях.

Технические трудности

• Эволюция сопротивления: Наиболее значительным препятствием является быстрое появление аллелей сопротивления. Если разрез CRISPR-Cas9 происходит в области, которая переносит мутации, люди с устойчивой последовательностью могут выжить и передать сопротивление. Драйвы должны быть разработаны для нацеливания на высококонсервативные, существенные геномные области и часто использовать несколько гРНК для снижения вероятности побега.
• Нестабильность диска: Экспрессия Cas9 и gRNA может быть заглушена с течением времени, или элемент диска может быть потерян посредством рекомбинации.
• Стоимость фитнеса: Любой штраф за фитнес, наложенный самим приводом (например, из-за нецелевого воздействия или токсичности Cas9), может замедлить его распространение или даже предотвратить его достижение порога, необходимого для коллапса населения.
• Сдерживание в нецелевых организмах: Хотя приводы могут быть специфичными для вида, горизонтальный перенос генов к другим видам (например, через гибридные зоны или вирусные векторы) является теоретическим, хотя и маловероятным, риском, который требует тщательного смягчения.

Экологические риски

• Непреднамеренное трофическое каскадирование: Удаление ключевых инвазивных видов может вызвать непредсказуемые изменения в экосистеме. Например, устранение инвазивных видов грызунов может привести к взрыву популяций жертв, или упадок грызунов может позволить другим инвазивным видам овладеть.
• Распространение за пределы целевых границ: Даже если привод предназначен для островного населения, случайный транспорт отдельных лиц (например, посредством передвижения человека) может ввести привод к населению материка, с неизвестными последствиями.
• Влияние на генетическое разнообразие: Подавляющее действие, которое приводит к сокращению популяции до очень низких показателей, может вызвать узкое место, разрушая генетическое разнообразие в коренной популяции, если целевой вид не будет полностью устранен.