Mechanizm

W gatunkach rozmnażających się płciowo większość genów jest prezentowana w dwóch kopiach. Każda z kopii ma 50% szans na przekazanie potomstwu. System gene drive obchodzi te zasady, znacznie zwiększając prawdopodobieństwo na to, że dany allel zostanie przekazany potomstwu.

Technika ta początkowo bazowała na HEGach (ang. homing endonucleases), jednak gene drive bazujący na HEGach takich jak palce cynkowe i TALEN ma swoje ograniczenia. HEGi nie zawsze rozpoznają specyficzne sekwencje, czasem przecinają przypadkowe miejsca, więc konieczne są dokładne badania in vitro w celu wytworzenia enzymów wysoce specyficznych. Odkrycie systemu CRISPR/Cas9 umożliwiło przejście tych ograniczeń i pozwoliło na wytworzenie specyficznej i wydajnej techniki. Dzięki łatwości zaprojektowania gRNA specyficzność oraz liczba rozpoznawanych przez nukleazę sekwencji znaczenie się zwiększyła.

Źródło: https://en.wikipedia.org/wiki/File:Molecular_mechanism_of_gene_drive.svg

W systemie gene drive bazującym na CRISPR/Cas9 w pierwszej kolejności tworzony jest plazmid zawierający nukleazę Cas9, gRNA oraz transgen, otoczone przez sekwencje flankujące. Nukleaza Cas9 nacina sekwencje w miejscu wskazanym przez gRNA. Nacięcie aktywuje w komórce system naprawczy HDR (ang. homology direct repair). HDR rozpoznaje sekwencje flankujące identyczne z sekwencjami obecnymi na chromosomie w miejscu cięcia i poprzez rekombinacje homologiczną konstrukt jest wstawiany do nici. Następnie w wyniku krzyżowania organizmu z włączonym transgenem z organizmem dzikiego typu (WT), system gene drive rozpoznaje inną wersję genu u organizmu WT, wycina go, a na jego miejsce wstawia niesiony przez siebie konstrukt.

Źródło: Hammond A, Galizi R, Kyrou K, et al. A CRISPR-Cas9 Gene Drive System Targeting Female Reproduction in the Malaria Mosquito vector Anopheles gambiae. Nature biotechnology. 2016;34(1):78-83. doi:10.1038/nbt.3439.

Jakie są największe korzyści z zastosowania tego systemu?

Gene drive może przynieść ogromne korzyści ludzkości, zmieniając cechy populacji owadów, które są odpowiedzialne za przenoszenie chorób takich jak malaria, denga czy zika. System miałby zastosowanie zarówno w supresji populacji, dzięki dołączeniu do genomu komara genu letalnego o kontrolowanej/indukowanej ekspresji, dzięki czemu moglibyśmy znacząco zmniejszyć liczebność populacji. Drugą opcją jest włączenie transgenu powodującego oporność na atakujący go patogen. Takie komary mogłyby naturalnie wytwarzać przeciwciała lub związki antymalaryczne w swoim organizmie, dzięki czemu nie byłyby one zdolne do przenoszenia malarii.

System mógłby również pomóc w prowadzeniu zrównoważonego rolnictwa, poprzez wyłączenie genu odpowiedzialnego za odporność na pestycydy i herbicydy. Pozwoliłoby to na zredukowanie potrzeby stosowania herbicydów i pestycydów, a co za tym idzie - ogromna ilość tych substancji nie dostawałaby się do środowiska.

Gene drive może również pomóc w odbudowaniu równowagi biologicznej zachwianej przez wprowadzenie gatunków inwazyjnych oraz we wzmocnieniu ochrony zagrożonych gatunków.

Ograniczenia gene drive

Technika ta wymaga wielu pokoleń, aby zmieniona cecha mogła rozpowszechnić się w populacji. Całkowity czas zależy od cyklu reprodukcyjnego organizmu, liczby organizmów z dołączonym systemem gene drive wypuszczonych do populacji, wydajności, dynamiki przepływu genów i wielu innych czynników. Wśród organizmów charakteryzujących się krótkich cyklem reprodukcyjnym, szybkim osiąganiem dojrzałości płciowej i dużą ilością potomstwa (takich jak np. komary czy muchy przenoszące choroby) zastosowanie gene drive jest uzasadnione. Jednak gdybyśmy chcieli zmodyfikować któregoś z dużych ssaków czy nawet człowieka - system ten nie spełni swojej funkcji.

Gene drive nie może zmieniać populacji takich jak bakterie i wirusy. Kłopot pojawia się również u gatunków, które mogą rozmnażać się płciowo, jak i bezpłciowo, m.in. wielu gatunków roślin. Trzeba mieć też na uwadze, że jest to wciąż rozwijająca się technologia, a jej zaadaptowanie do nowego gatunku może zająć wiele lat.

System gene drive może przynieść ogromne korzyści, ponieważ pozwala on na zmianę cech całych populacji organizmów. Tym samym może on spowodować ogromne zmiany w równowadze biologicznej. Naukowcy musza być świadomi potęgi tej technologii, dlatego wypuszczenie do środowiska organizmów z dołączonym systemem gene drive powinno być poprzedzone dokładną oceną ryzyka środowiskowego.

Anna Sokołow, stażystka portalu Biotechnologia.pl