Нацеливание на комара
В борьбе с комарами — переносчиками смертельных болезней человека — ученые привлекают нового союзника: генетического врага в самой ДНК комара.
Эти новые «бойцы» — гены гоминг-эндонуклеаз (HEG), «эгоистичные» генетические элементы, которые с повышенной вероятностью передаются между поколениями, несмотря на потенциальный вред для особи.
HEG могут распознавать и «разрезать» короткую последовательность ДНК на одной из пары хромосом, а затем «обманывать» репарационный механизм организма, заставляя его скопировать HEG на другую хромосому. HEG встраивается в «разрезанную» последовательность «нормальной» ДНК во время починки разреза. Именно этот «драйв» делает HEG особенно интересными для нарушения работы ДНК и, следовательно, для контроля над популяциями комаров.
Ключевой момент: HEG можно использовать для распознавания и нарушения участка ДНК, который действительно важен — например, необходим для выживания комара от яйца до взрослой особи.
«HEG естественным образом встречаются у некоторых простых организмов, например, у одноклеточных грибов, и были искусственно вставлены в геномы других организмов, в частности, комара Anopheles gambiae — основного переносчика малярии человека», — объясняет Майк Бонсолл из Оксфордского университета.
«Их можно использовать либо для подавления популяций комаров, изменяя паттерны наследования генов (например, генов, влияющих на выживаемость), либо для изменения генетической структуры популяций, «запуская» гены, которые меняют ключевые характеристики комара (например, способность передавать патоген)».
Такой генетический подход может стать важным оружием против болезней вроде малярии, ежегодно уносящей до 1,6 млн жизней, за счет сокращения численности переносящих болезнь взрослых самок комаров в локальной зоне до уровня, недостаточного для поддержания и передачи инфекции человеку.
Но HEG — не просто «генетические самонаводящиеся ракеты», убивающие комаров: такие эгоистичные генетические элементы должны распространяться, особи, несущие их, должны конкурировать, а популяции — реагировать и меняться.
«Помимо понимания популяционной генетики и паттернов наследования HEG, для их эффективности необходимо понимание как экологии, так и генетики. Популяционная динамика и экология определяют, как особи в популяции конкурируют, растут и расселяются», — отмечает Нина Алфей из Оксфордского университета.
«Популяционная генетика может предсказать, что HEG, снижающий выживаемость, естественным образом распространится по популяции, но это не обязательно означает, что популяция сократится достаточно для значимого снижения передачи болезни. Просто знания генетики недостаточно».
Чтобы изучить, как взаимодействие экологии и генетики влияет на эффективность контроля на основе HEG, Майк и Нина разработали математическую модель в рамках проекта, финансируемого BBSRC. Они сообщают о результатах в журнале Journal of the Royal Society Interface.
«Один из ключевых выводов нашей работы — тип конкуренции влияет на результат контроля с помощью HEG. Если конкуренция особенно сильна, изменения в выживаемости личинок на ранней стадии могут привести не к сокращению, а к увеличению численности популяции комаров», — объясняет Майк. — «Это происходит, поскольку популяция «освобождается» от своего естественного экологического контроля, который у комаров происходит на поздней личиночной стадии.
Мы также показали, что если HEG не просто снижает выживаемость комара, но и меняет то, как этот комар конкурирует на личиночной стадии, он может добиться большего сокращения численности, чем идентичный HEG, который лишь снижает выживаемость. Эффекты HEG, влияющего и на выживаемость, и на время конкуренции, необходимо тщательно отслеживать, чтобы обеспечить подавление популяции».
В то время как для крупных животных можно отслеживать особей для понимания популяционной динамики, для популяций тысяч насекомых, таких как комары, связанных с крошечными участками среды обитания (небольшой пруд или даже просто емкость с водой), это непрактично.
Математические модели — единственный практичный способ изучения связей между генетикой и экологией и выявления потенциальных ловушек в любом генетическом подходе к контролю насекомых. Например, HEG, действующие на раннем этапе жизненного цикла насекомого, могут быть менее эффективны, чем действующие позже.
«Мы работаем над расширением наших подходов к моделированию для понимания контроля над комарами, интегрируя экономику и анализ рентабельности программ контроля. Это включает связывание затрат на разведение модифицированных комаров, эпидемиологии болезни, перемещения людей и комаров и оценку пользы для общественного здоровья», — говорит Нина. Команда создала онлайн-игру, освещающую некоторые проблемы, с которыми сталкивается любая программа контроля.
В будущей модели необходимо учесть множество факторов: например, в дикой природе популяции конкурируют с другими видами. Так, малярийный комар Anopheles gambiae может конкурировать с различными другими видами, а переносящий лихорадку денге Aedes aegypti и менее компетентный Aedes albopictus конкурируют друг с другом в некоторых регионах, поэтому сокращение численности одного вида-переносчика может увеличить численность другого.
Майк говорит: «Мы надеемся выяснить, когда и где уместно комбинировать эти стратегии контроля насекомых с другими методами борьбы с болезнями (например, программами вакцинации). Также размышления о том, как эти стратегии можно использовать для контроля распространения устойчивости к обычным программам контроля, — это новый проект BBSRC, который мы совсем недавно начали».