Jacob Hoover
0 
2971
246
En genenhet är en typ av genteknik som modifierar gener så att de inte följer de typiska reglerna om ärftlighet. Gendrivningar ökar dramatiskt sannolikheten för att en viss svit av gener kommer att överföras till nästa generation, vilket gör att generna snabbt kan spridas genom en population och åsidosätta det naturliga urvalet. Tack vare CRISPR-Cas9, genredigerings-tekniken som utnyttjas från bakterier, blir gendrivning enklare för forskare att bygga.
Med gendrivningsteknologi "kan du modifiera evolutionär bana. Du kan orsaka utrotning", sa Andrea Crisanti, genetiker vid Imperial College London. Detta kan vara ett effektivt sätt att utrota besvärande arter, till exempel myggor som orsakar myggor. Men forskare arbetar fortfarande för att bestämma de potentiella bredare ekologiska och miljömässiga effekterna av att använda genenheter för att eliminera en hel art.
Hur fungerar gendrivning?
En genenhet består av tre viktiga komponenter: genen som du vill sprida; Cas9-enzymet som kan skära DNA; och CRISPR, en antagbar DNA-sekvens som identifierar var enzymet ska skäras. Det genetiska materialet som kodar för de tre elementen förs in i ett djurens DNA i stället för den naturligt förekommande genen du vill ersätta i båda kromosomerna..
Genens drivkraft är att det stör de arvslagar, säger Crisanti. I normal ärftlighet finns det 50% chans att någon speciell gen överförs från förälder till avkomma. Genenhetsteknologi förvandlar 50% chans till nästan 100% garanti.
När ett djur som bär gendrivpaketet parar sig med ett djur som inte gör det, får deras avkommor en kopia av DNA från endera föräldern: en naturlig version och en gendrivversion. När spermierna möter ägget och kromosomerna från de olika föräldrarna ställer sig upp för första gången aktiveras CRISPR i gendriv-DNA. Den känner igen kopian av den naturliga genen i motsatt kromosom och leder det DNA-skärande Cas9-enzymet att skära ut den naturliga kopian innan den embryonala utvecklingen påbörjas.
Relaterad: Prokaryotiska vs eukaryota celler: Vad är skillnaden?
När den naturliga genen skadats utlöses cellens speciella reparationsmaskineri. Reparationsmaskineriet återställer det saknade DNA, men det använder den obrutna kromosomen, som är den som bär genen, som dess mall. Så när reparationen är klar har båda kromosomerna en kopia av genenheten. Från den punkten kommer två kopior av gendrivningen att finnas i varje cell och djuret kommer att överföra gendrivningen till nästa generation.
Och så fortsätter processen. Varje gång enheten skickas vidare skär CRISPR den naturliga versionen av genen, cellreparationsmaskiner ingriper och en kopia av genenheten blir två. På bara några få generationer blir den nya genen allestädes närvarande i befolkningen, ibland helt ersätter den naturligt förekommande genen.
Gendrivna myggor
År 2018 publicerade Crisanti och hans kollegor en studie i tidskriften Nature Biotechnology som beskrev hur gendrivningsteknologi kan orsaka befolkningens kollaps av Anopheles gambiae, myggsorten som orsakar malaria. Gruppen byggde en gendrift som skulle förändra en könsrelaterad gen och störa kvinnlig fertilitet. Gendrivningen med den skadade kvinnliga fertilitetsgenen sprids genom 100% av testpopulationen i så lite som sju generationer. Arten kunde inte para sig ihop och befolkningen kollapsade. Vissa forskare tror att detta kan vara den strategi som slutligen utplånar malaria - en brutal sjukdom som är ansvarig för att orsaka 280 miljoner sjukdomar och 405 000 dödsfall globalt 2018, enligt World Health Organization.
Relaterad: 10 fantastiska saker som forskare just gjorde med CRISPR
Gendrivmetoden är ett unikt prisvärt och hållbart sätt att utrota myggor som orsakar malaria, sade Cristanti. Andra tillvägagångssätt som insektsmedel och miljöhantering är effektiva men extremt dyra och långt bortom de många ländernas ekonomiska kapacitet, sa han. "Genfrekvens tillåter spridning av ett genetiskt drag i en befolkning från få individer, och hanterar problemet med hållbarhet i dess rot."
Men att utplåna en hel art är en stor sak, och att genomföra en genkraft i naturen är inte ett enkelt beslut.
Är gendrivna farliga?
Forskare arbetar för att förutsäga vad eliminering av en besvärlig art kan betyda för resten av ekosystemet.
Att utrota malaria-orsakande mygg som använder en gendrivning verkar sannolikt vara en minimalt påverkande plan. "Hittills har ekologiska tester visat att ekosystemet inte kollapsar," när en myggarter elimineras, sade Fred Gould, en evolutionär biolog vid North Carolina State University.
De ekologiska effekterna av andra gendrivprojekt är mer utmanande att urskilja. Till exempel arbetar naturvårdare och genetiker med en gendrivning som kan eliminera invasiva gnagare - en ädel ansträngning, med tanke på att invasiva gnagare har kopplats till utrotningen av 75 infödda arter, enligt en studie publicerad i tidskriften Proceedings of National Academy of Science.
Men utrotning av gnagare med en gendrivning medför potentiellt större ekologiska risker än utrotning av en mygga. Om gnagdrivna gnagare någonsin flydde från ön och gjorde det tillbaka till gnagarnas naturliga livsmiljö, som Nordamerika, skulle enheten kunna eliminera möss och råttor där de är en kritisk del av ekosystemet. Gnagarnas frånvaro kan leda till ekosystemets kollaps.
Relaterad: Här är vad vi vet om CRISPR-säkerhet
Av den anledningen har Gould och hans kollegor arbetat med en strategi som endast skulle inriktas på möss som lever på öar. Geografiskt distinkta populationer har ofta samma variant av en gen, eller allel, specifik för deras lokala population. Om forskare kan identifiera en allel som är specifik för den befolkning de vill utrota, kan de skapa en gendrivning som är specifik för den befolkningen. Enheten skulle bara spridas till individer som bär den specifika allelen; det skulle inte fungera hos individer utan den specifika allelen. Forskarna beskrev denna metod i en studie från 2019 som publicerades i tidskriften Scientific Reports.
Dessutom studerar flera forskare potentiella saneringsplaner eller strategier för att ta bort gendrivningen från miljön i händelse av oönskade resultat. Till exempel publicerade Crisanti och hans kollegor en studie 2017 i tidskriften Plos Genetics som beskrev hur genetiska mutationer som är resistenta mot gendrivningen kan kvarstå och eliminera gendrivningen på bara några generationer. Den gendrivna resistenta mutationen måste undvikas för att gendrivningen ska bestå, eller det kan vara ett sätt att eliminera en oönskad gendriv.
Även om konceptet att använda en genenhet för att skydda människors hälsa och återställa ekologisk balans är lovande, har forskning om verktygets konsekvenser och effektivitet ett sätt att gå.
Ytterligare resurser:
- Håll dig uppdaterad med de senaste nyheterna om CRISPR på CRISPR News-sidan.
- Se den här korta videon som beskriver hur en genenhet fungerar från Wyss Institute vid Harvard University.
- Här är ytterligare en kort video som beskriver potentiella sätt att skydda en gendrivning, också från Wyss Institute vid Harvard University.