Το νέο μοντέλο προειδοποιεί για τα γονίδια CRISPR στη φύση

Καθώς η επαναστατική τεχνολογία CRISPR για την τροποποίηση γονιδιωμάτων έχει απογειωθεί τα τελευταία χρόνια, μια τολμηρή πιθανή εφαρμογή έχει τραβήξει την προσοχή των επιστημόνων διατήρησης, των υπευθύνων χάραξης πολιτικής, των εργαζομένων στον τομέα της δημόσιας υγείας και άλλων:Θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία των λεγόμενων γονιδιακών κινήσεων για την εξάλειψη ή τον έλεγχο ανεπιθύμητα είδη. Οι ειδικοί που συζητούν τη σοφία ή τους κινδύνους αυτής της προσέγγισης έχουν συχνά καταλήξει σε πολύ διαφορετικές απαντήσεις.

Ένα νέο έγγραφο που δημοσιεύεται σήμερα αποδεικνύει ότι απαιτείται προσοχή. Χρησιμοποιώντας μοντελοποίηση υπολογιστή, υποδηλώνει ότι σε τουλάχιστον ορισμένες μορφές, οι μονάδες δίσκου μπορεί να είναι πιο επεμβατικές από ό,τι προτάθηκε προηγουμένως. Η εργασία βρίσκεται τώρα στον επιστημονικό ιστότοπο προεκτύπωσης biorxiv.org. (Οι συγγραφείς, μια ομάδα από το Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ και το Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης, υπέβαλαν επίσης την εργασία σε περιοδικό με κριτές.)

Τα γονιδιακά κίνητρα είναι γενετικές κατασκευές που μπορούν να εισαχθούν στο DNA για να αλλάξουν οι κανόνες κληρονομικότητας στη σεξουαλική αναπαραγωγή. Μπορούν να ενισχύσουν τις πιθανότητες να περάσει ένα συγκεκριμένο χαρακτηριστικό από έναν γονέα στους απογόνους του από 50-50 σε σχεδόν 100 τοις εκατό. Η τεχνολογία περιορίζεται μέχρι στιγμής στο εργαστήριο, αλλά πολλοί επιστήμονες ελπίζουν να τη χρησιμοποιήσουν τελικά για τον έλεγχο των εντόμων που μεταφέρουν ασθένειες, των χωροκατακτητικών ειδών και άλλων προβληματικών οργανισμών.

Αυτή η φιλοδοξία συνάντησε δύο είδη αντίστασης. Ο ένας είναι από άλλους ερευνητές και περιβαλλοντολόγους που ανησυχούν ότι τα γονιδιακά κίνητρα μπορεί να γίνουν επεμβατικά, εξαπλώνοντας ακούσια μακριά στη φύση με ανεπιθύμητα αποτελέσματα. Το άλλο είναι από τον ίδιο τον φυσικό κόσμο:Ως Quanta που αναφέρθηκε πέρυσι, μια σειρά εγγράφων πρότεινε ότι οι οργανισμοί που αναπτύσσουν αντίσταση σε γονιδιακά κίνητρα μπορεί να τους εμποδίσουν να πάνε πολύ μακριά στην άγρια ​​φύση.

Η νέα εργασία μοντελοποίησης από το Χάρβαρντ και το MIT, ωστόσο, διαπιστώνει ότι η πιο βασική έκδοση μιας γονιδιακής μονάδας - μια με τεχνολογία CRISPR, που προορίζεται να αναπαραχθεί και να εξαπλωθεί επ 'αόριστον - μπορεί να είναι επεμβατική ακόμη και εν όψει της εξελικτικής αντίστασης. Στη νέα δημοσίευση, «επεμβατική σημαίνει ότι εάν ακόμη και ένας μικρός αριθμός οργανισμών με γονιδιακή κίνηση απελευθερωθεί σε έναν μεγάλο άγριο πληθυσμό, είναι πιθανό ότι το στοιχείο κίνησης θα μπορούσε να εξαπλωθεί σε αυτόν τον πληθυσμό και σε γειτονικούς πληθυσμούς», δήλωσε ο Charleston Noble. διδακτορικός φοιτητής στο Χάρβαρντ και πρώτος συγγραφέας.

Σε μια συνοδευτική προοπτική που δημοσιεύτηκε σήμερα στο PLOS Biology, ο Kevin Esvelt, εξελικτικός μηχανικός στο MIT, και ο Neil Gemmell, γενετιστής στο Πανεπιστήμιο του Otago στη Νέα Ζηλανδία, σκιαγραφούν τι διακυβεύεται με τις τυπικές γονιδιακές κινήσεις — ιδιαίτερα για έργα διατήρησης.

Η προοπτική απαιτεί επίσης περισσότερη έρευνα για τις τοπικές γονιδιακές κινήσεις - συμπεριλαμβανομένης μιας μη δοκιμασμένης προσέγγισης που προωθείται από το εργαστήριο του Esvelt - που θα λειτουργούσε κάπως σαν μια τυπική μονάδα δίσκου, αλλά με βιολογικά όρια που τις καθιστούν λιγότερο πιθανό να εξαπλωθούν εκτός των στοχευμένων πληθυσμών.

Ο Έσβελτ λέει ότι η προοπτική χρησιμεύει εν μέρει στη διόρθωση των δηλώσεων σε μια εργασία που συνέταξε από κοινού το 2014, τα οποία τώρα πιστεύει ότι ήταν πολύ αισιόδοξα σχετικά με τις δυνατότητες για τυπικές γονιδιακές ενορμήσεις στη διατήρηση.

«Ελπίζουμε να ρίξουμε περισσότερο φως στο θέμα και να καταστήσουμε πολύ σαφές ότι η προηγούμενη απόφασή μου να απαριθμήσω τη διατήρηση του περιβάλλοντος» ως χρήση «για τυπικές κινήσεις γονιδίων είναι λάθος», είπε. "Αν δεν κάνετε μια [τοπική] τεχνική οδήγησης, θα είναι πρόβλημα."

Δεδομένα πραγματικού κόσμου σε μοντέλα Gene Drive

Στην προεκτύπωση μοντελοποίησης, η ομάδα του Χάρβαρντ και του MIT εξέτασε μόνο έναν τύπο τυπικής μονάδας γονιδίου, που ονομάζεται μονάδα αντικατάστασης ή αλλαγής. Εδώ, η κίνηση ανταλλάσσει ένα χαρακτηριστικό σε έναν πληθυσμό. Για παράδειγμα, μια μονάδα αντικατάστασης μπορεί να αλλάξει το Anopheles κουνούπια ώστε να μην μπορούν να μεταδώσουν φυσικά το παράσιτο της ελονοσίας.

Το μοντέλο αγνόησε επίσης μια σειρά παραγόντων που θα μπορούσαν να περιορίσουν την εξάπλωση μιας γονιδιακής κίνησης στην άγρια ​​φύση, συμπεριλαμβανομένης της απόστασης μεταξύ των πληθυσμών, των διαφορών στην τοπική οικολογία και τυχόν αδυναμίας των εργαστηριακών οργανισμών να ζευγαρώσουν με τους άγριους ομολόγους τους.

Αυτή η απλότητα ήταν «σκόπιμη», είπε ο Noble. «Θέλαμε να είμαστε προσεκτικοί και να το κρατήσουμε όσο πιο απλό μπορούσαμε. Η προσθήκη περισσότερων παραγόντων θα μπορούσε να κάνει [τη μονάδα γονιδίου] να φαίνεται καλύτερα από την άποψη του περιορισμού."

Το χαρτί περιελάμβανε δύο βασικά μοντέλα. Η πρώτη υπέθεσε έναν μεγάλο πληθυσμό οργανισμών στους οποίους οποιοδήποτε άτομο ήταν εξίσου πιθανό να ζευγαρώσει με οποιοδήποτε άλλο. Το δεύτερο χώρισε τον πληθυσμό σε μικρότερες ομάδες και τα άτομα μπορούσαν να μεταναστεύσουν μεταξύ τους. Και τα δύο μοντέλα περιελάμβαναν ένα μείγμα οργανισμών άγριου τύπου (αυτούς με φυσικά γονιδιώματα), καθώς και εκείνων με γονιδιακά κίνητρα ή αντίσταση στα γονιδιακά κίνητρα.

Για να κατανοήσει πόσο αποτελεσματικά μπορεί να είναι τα γονίδια στην πραγματικότητα - και πόση αντίσταση θα αντιμετωπίσουν - η ομάδα άντλησε δεδομένα από δημοσιευμένα πειράματα γονιδιακής οδήγησης σε μύγες φρούτων, κουνούπια και μαγιά.

Τα αποτελέσματα υποδεικνύουν ότι η απελευθέρωση ακόμη και μικρού αριθμού γονιδιακών οργανισμών μπορεί να είναι επεμβατική. Αυτό ίσχυε ακόμη και για τα λιγότερο αποτελεσματικά γονιδιακά κίνητρα - και παρουσία αντίστασης. Σε ένα μοντελοποιημένο σενάριο που αφορούσε μια γονιδιακή μονάδα που ήταν μόνο συντηρητικά αποτελεσματική, για παράδειγμα, η απελευθέρωση μόλις 10 οργανισμών δημιούργησε πιθανότητα 97 τοις εκατό εισβολής, η οποία εξαπλώθηκε στο ένα τρίτο του πληθυσμού κατά μέσο όρο.

Ωστόσο, τα μοντέλα δεν έλαβαν υπόψη τα γονιδιακά κίνητρα που οι περισσότεροι επιστήμονες πιστεύουν ότι είναι πιο πιθανό να χρησιμοποιηθούν σε έργα διατήρησης:κινήσεις καταστολής. Σε αυτά, η γονιδιακή κίνηση μεταβάλλει ένα χαρακτηριστικό που χρειάζεται ο πληθυσμός για να επιβιώσει. Για παράδειγμα, μια τέτοια κίνηση μπορεί να παραμορφώσει έναν πληθυσμό ώστε να είναι εξ ολοκλήρου αρσενικό ή όλο το θηλυκό, έτσι ώστε να σταματήσει να αναπαράγεται και να πεθάνει. Δεν είναι σαφές εάν οι κατασταλτικές κινήσεις θα αποδειχθούν επεμβατικές, αν και ο Noble είπε ότι σχεδιάζει να τις διερευνήσει σύντομα.

Το ότι τα νέα μοντέλα εξετάζουν τη μετανάστευση μεταξύ υποπληθυσμών είναι σημαντικό επειδή είναι "κάτι που οι άνθρωποι μέχρι στιγμής δεν έχουν λάβει υπόψη", δήλωσε ο Philipp Messer, γενετιστής πληθυσμού στο Πανεπιστήμιο Cornell που δεν συμμετείχε στην έρευνα. Η επανασύνδεση πειραματικών δεδομένων στα μοντέλα είναι επίσης ένα νέο βήμα για τις μονάδες γονιδίων. Αν και τα ευρήματα δεν προκαλούν ιδιαίτερη έκπληξη, πρόσθεσε, είναι δύσκολο να πούμε πόσο καλά μοντελοποιούν τον πραγματικό κόσμο, επειδή είναι τόσο απλοποιημένα.

Σύμφωνα με το έγγραφο μοντελοποίησης, τα ευρήματα αμφισβητούν τις συστάσεις από μια έκθεση του 2016 από τις Εθνικές Ακαδημίες Επιστημών, Μηχανικής και Ιατρικής. Η έκθεση ήταν επιφυλακτική σχετικά με τα γονίδια και συνιστούσε περισσότερη έρευνα — συμπεριλαμβανομένων ελεγχόμενων δοκιμών πεδίου. Η ομάδα του Χάρβαρντ και του MIT, ωστόσο, υποστηρίζει ότι ακόμη και οι ελεγχόμενες δοκιμές πεδίου μπορεί να δημιουργήσουν πρόβλημα για τις τυπικές μονάδες γονιδίων.

Μεταξύ εκείνων που διαφωνούν με την αξιολόγησή τους είναι ο Jason Delborne, ένας από τους συντάκτες της έκθεσης του 2016 και καθηγητής επιστήμης, πολιτικής και κοινωνίας στο North Carolina State University. Ενώ η έκθεση του 2016 πρότεινε μια σταδιακή προσέγγιση στις δοκιμές πεδίου, οι συγγραφείς «κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι δεν ήταν αρκετά γνωστά για την επιδίωξη περιβαλλοντικής απελευθέρωσης», έγραψε ο Delborne μέσω email.

«Αυτό αναμφισβήτητα δεν έχει αλλάξει», πρόσθεσε. "Δυστυχώς, ο όρος "δοκιμή πεδίου" δεν είναι μια ακριβής έννοια, επειδή ο βαθμός κινδύνου εξαρτάται από τις ιδιαιτερότητες της τεχνολογίας και το πλαίσιο της."

Η μονάδα γονιδίων της φιλικής σας γειτονιάς

Στην προοπτική δημοσίευση PLOS, οι Esvelt και Gemmell περιέγραψαν τις ευρύτερες συνέπειες για τις τυπικές γονιδιακές κινήσεις σε έργα διατήρησης — ιδιαίτερα εκείνων που στοχεύουν στην εξάλειψη των χωροκατακτητικών αρουραίων, ποντικών και άλλων θηλαστικών από τα νησιά.

Το έγγραφο τόνισε εναλλακτικές τεχνολογίες γονιδιακής οδήγησης που θα μπορούσαν να διαδώσουν ένα γονίδιο σε έναν πληθυσμό αλλά όχι πέρα ​​από αυτόν τον πληθυσμό. Ένα παράδειγμα είναι μια μονάδα γονιδίου ακριβείας, η οποία στοχεύει μια έκδοση ενός γονιδίου που είναι μοναδική για έναν πληθυσμό. Για παράδειγμα, τα χωροκατακτητικά ποντίκια που ζουν σε ένα νησί μπορεί να έχουν απομονωθεί από ποντίκια της ηπειρωτικής χώρας για αρκετό καιρό ώστε να έχουν μερικά μοναδικά γενετικά χαρακτηριστικά, παρόλο που εξακολουθούν να είναι το ίδιο είδος. Μια μονάδα γονιδίου που στοχεύει σε αυτό το χαρακτηριστικό θα λειτουργούσε στο νησί, αλλά όχι σε άλλα ποντίκια.

Μια άλλη ιδέα, η οποία δεν έχει δοκιμαστεί μέχρι στιγμής, είναι από το εργαστήριο του Esvelt. Την αποκαλεί μαργαρίτα, η οποία ουσιαστικά σπάει μια γονιδιακή μονάδα σε ξεχωριστά αλλά αλληλεπιδρώντα κομμάτια, όπως κρίκους σε μια αλυσίδα μαργαρίτας. Θα ήταν «κάπως σαν ένας γενετικός ενισχυτής πολλαπλών σταδίων πύραυλος», είπε ο Έσβελτ. Ενώ μια τυπική μονάδα γονιδίου εισάγει ένα αντίγραφο του εαυτού της στο χρωμόσωμα συνεργάτη της, τα κομμάτια μιας μαργαρίτας οδηγούν το καθένα στην αντιγραφή του επόμενου κομματιού σε ένα χρωμόσωμα, αν και ένα κομμάτι από το σχεδιασμό δεν λαμβάνει βοήθεια από άλλα. Τελικά, καθώς τα κομμάτια μειώνονται από τον πληθυσμό, η κίνηση σταματά να εξαπλώνεται σε νέες γενιές.

Η προοπτική του PLOS είχε σκοπό να προκαλέσει συζήτηση, είπε ο Gemmell μέσω email. «Δεν είμαστε κατά της τεχνολογίας γονιδιακής οδήγησης αυτή καθαυτή», έγραψε. Οι κινήσεις γονιδίων είναι μια «σημαντική μελλοντική λύση σε μια ποικιλία προβλημάτων στον τομέα της διατήρησης. Αλλά πρέπει να είναι ελεγχόμενα σε κάποιο πλαίσιο, εάν θέλουμε να εξετάσουμε σοβαρά την αναδιάταξη σε περιβαλλοντικό πλαίσιο."

Ωστόσο, ενώ η προσοχή είναι ζωτικής σημασίας για την έρευνα για τα γονίδια, δεν είναι κάτι καινούργιο, είπε ο Φρεντ Γκουλντ, εντομολόγος και συνδιευθυντής του Κέντρου Γενετικής Μηχανικής και Κοινωνίας της Πολιτείας της Βόρειας Καρολίνας.

«Μου φαίνεται ότι οι άνθρωποι είναι προσεκτικοί», είπε, αναφερόμενος στις ελάχιστες ερευνητικές ομάδες που εξερευνούν γονιδιακά κίνητρα για διατήρηση. Δύο από αυτές τις ομάδες — Predator Free 2050 στη Νέα Ζηλανδία και GBIRd στις ΗΠΑ, την Αυστραλία και τη Νέα Ζηλανδία — ήδη εξερευνούν τοπικές μονάδες γονιδίων καθώς και σχέδια για επικοινωνία με τις τοπικές κοινότητες σχετικά με πιθανούς κινδύνους και οφέλη.

Ο Gould τόνισε επίσης ότι, μέχρι στιγμής, η έρευνα για τα γονίδια είναι στα αρχικά στάδια - δεν είναι καθόλου έτοιμη για επιτόπιες δοκιμές - και δεν είναι σαφές πώς θα συμπεριφέρονται πραγματικά τα drives στην πράξη. Το να κοιτάς το μέλλον είναι σημαντικό, αλλά το ίδιο είναι και το να αναγνωρίζεις τι πραγματικά κάνουν οι άνθρωποι, πρόσθεσε. "Δεν νομίζω ότι πρέπει να προλάβουμε τους εαυτούς μας εδώ."