Улучшенная CRISPR-система генного драйва решает проблемы старой технологии

Генные драйвы используют генную инженерию для создания желаемой мутации у нескольких особей, которая затем распространяется через спаривание по всей популяции менее чем за 10 поколений.

Теоретически такой механизм можно использовать, чтобы помешать малярийным комарам передавать болезнь или, возможно, уничтожить инвазивный вид, лишив его способности к размножению.

Хотя учёные успешно доказали концепцию в лаборатории, они обнаружили, что дикие популяции неизбежно адаптируются и вырабатывают устойчивость к схеме. А когда генный драйв работает, он действует по принципу «всё или ничего» — без нюансов — распространяясь на всех особей, что может быть недостатком.

Теперь исследование Корнеллского университета, «Система генного драйва CRISPR «Токсин-Антидот» для региональной модификации популяции», опубликованное 27 февраля в журнале Nature Communications, описывает новый тип генного драйва, способный отсрочить возникновение резистентности. Метод также можно применить к региональной популяции, ограничив его распространение на другие популяции, где он может иметь нежелательные эффекты.

«Это две вещи, которые наш новый драйв в некоторой степени решает», — сказал Филипп Мессер, доцент вычислительной биологии и старший автор статьи. Первым автором является Джексон Чампер, постдокторант в лаборатории Мессера.

В классическом генном драйве, называемом «самонаводящимся» (homing drive), потомок наследует один набор генов, или геном, от матери, а другой — от отца. Если потомок наследует ген с драйвом от одного родителя, а от другого — нет, драйв копирует себя в геном родителя без драйва.

«Теперь эта особь имеет драйв в обоих своих геномах и будет передавать его каждому потомку», — пояснил Мессер.

Драйвы созданы с использованием технологии редактирования генов CRISPR-Cas9, поэтому, когда драйв копирует себя в новый геном, система CRISPR делает разрез в хромосоме без драйва и вставляет новый код. Но иногда клетки восстанавливают разрез и, делая это, случайно удаляют «буквы» ДНК. Когда это происходит, CRISPR-генный драйв больше не может найти распознаваемую генетическую последовательность для создания разреза, что создаёт устойчивость и останавливает распространение генного драйва.

Естественная генетическая вариация — ещё один источник изменений в последовательностях ДНК — также может создавать резистентность, поскольку CRISPR-генным драйвам необходимо распознавать короткие генетические последовательности для создания разрезов.

«Мы были одними из первых лабораторий, показавших, что это огромная проблема», — сказал Мессер.

В статье описан новый генный драйв, названный TARE (Toxin-Antidote Recessive Embryo, «Токсин-Антидот Рецессивный Эмбрион»). Он работает, нацеливаясь на ген, необходимый для функционирования организма. При этом организм может выжить, имея лишь одну неповреждённую копию этого важного гена. Вместо того чтобы вырезать и вставлять ДНК, как это делают «самонаводящиеся» драйвы, TARE-драйв просто разрезает ген другого родителя, выводя его из строя.

При этом сам ген TARE-драйва имеет перекодированную последовательность ДНК; ген работает, но не будет распознан или разрезан в будущих поколениях. Если потомок наследует два неработающих гена, такие особи не выживут, тем самым удаляя эти копии из популяции. Тем временем, по мере спаривания жизнеспособных особей, всё больше выживающего потомства будет нести гены TARE-драйва.

Всего несколько особей с «самонаводящимися» драйвами могут распространить признак по всей популяции. TARE-драйвы, с другой стороны, не вырезают и не вставляют драйв в целевой ген; вместо этого они уничтожают одну из копий целевого гена у потомства. Из-за этого для распространения драйву требуется более высокая частота встречаемости модифицированных особей в популяции. По этой причине TARE-драйвы с меньшей вероятностью перейдут от одной отдельной популяции к другой.

В лабораторных экспериментах, когда плодовые мушки с TARE-генными драйвами были выпущены в клетки с мушками дикого типа, все мушки в клетке имели TARE-драйв всего за шесть поколений.

Исследователи отметили, что устойчивость действительно может развиться к TARE-драйву в дикой природе, особенно в очень больших популяциях, но они полагают, что это займёт больше времени и будет происходить с гораздо меньшей скоростью, сказал Мессер.