Οι μονάδες γονιδίων λειτουργούν σε ποντίκια (αν είναι θηλυκά)
Οι οικολόγοι και οι βιοηθικοί θεωρούν συχνά τα πακέτα μηχανικού DNA που ονομάζονται «γονιδιακές κινήσεις» με ένα μείγμα θαυμασμού, ενθουσιασμού και τρόμου. Οι γονιδιακές ενορμήσεις παραβιάζουν τους κανονικούς κανόνες κληρονομικότητας διασφαλίζοντας ότι μεταβιβάζονται σε όλους τους απογόνους του οργανισμού ξενιστή τους, όχι μόνο στους μισούς από αυτούς. Ως εκ τούτου, έχουν τη δυνατότητα να αλλάξουν γρήγορα και αμετάκλητα έναν πληθυσμό. Μεγάλο μέρος της διαμάχης σχετικά με τα γονιδιακά κίνητρα έχει επικεντρωθεί στην πρακτικότητα (και την ύβρις) της χρήσης τους για τον έλεγχο επικίνδυνων εντόμων, καθώς τα έντομα ήταν τα μόνα ζώα στα οποία είχε αποδειχθεί ότι λειτουργούν τα γονίδια.
Αυτό έχει πλέον αλλάξει. Σε μια εφημερίδα που εμφανίζεται σήμερα στο Nature , βιολόγοι στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Σαν Ντιέγκο αποδεικνύουν για πρώτη φορά ότι η τρέχουσα τεχνολογία γονιδιακής κίνησης λειτουργεί επίσης - τουλάχιστον μέχρι ένα σημείο - σε ένα θηλαστικό:το ποντίκι. Τα ευρήματά τους υπογραμμίζουν τις δυνατότητες, αλλά και τους σημαντικούς περιορισμούς, να τεθούν σε λειτουργία τα γονιδιακά κίνητρα στον πραγματικό κόσμο. Για τουλάχιστον κάποιο χρονικό διάστημα, αυτού του είδους οι τεχνολογίες «ενεργής γενετικής» μπορεί να είναι πιο χρήσιμα ως εργαστηριακά εργαλεία παρά ως όργανα για την ανακατασκευή της φύσης.
Ο Φρεντ Γκουλντ, εντομολόγος και εξελικτικός βιολόγος στο Κρατικό Πανεπιστήμιο της Βόρειας Καρολίνας, παρομοιάζει τις γονιδιακές ορμές με τη φανταστική ουσία ice-nine στο μυθιστόρημα Cat's Cradle του Kurt Vonnegut :μια παράξενη μορφή πάγου που παγώνει όλα τα άλλα νερά που αγγίζει. Οι γονιδιακές κινήσεις εξαπλώνονται γρήγορα επειδή είναι σύνολα γενετικών στοιχείων που αντιγράφουν αυθόρμητα τον εαυτό τους από ένα μητρικό χρωμόσωμα σε ένα αντίστοιχο πατρικό ή το αντίστροφο. Κατά τη διαδικασία της ίδιας της αντιγραφής, η μονάδα γονιδίου μπορεί επίσης να προσθέσει, να διαγράψει ή να τροποποιήσει γονίδια στο σημείο εισαγωγής της. Το 2003, οι γονιδιακές μονάδες προτάθηκαν ως θεωρητική δυνατότητα, αλλά η εμφάνιση της επεξεργασίας γονιδιώματος CRISPR/Cas9 το 2012 ξαφνικά τις έκανε πολύ πιο εφικτές.
Αν και ένας συνδυασμός νομικών περιορισμών, ηθικών ανησυχιών και φόβων για ακούσιες συνέπειες έχει εμποδίσει τη δοκιμή γονιδιακών ενορμήσεων στη φύση, η γοητεία του υποθετικού καλού που μπορεί να κάνουν έχει αναγκάσει τους επιστήμονες να συνεχίσουν να τις μελετούν. Μια καλά ρυθμισμένη γονιδιακή κίνηση θα μπορούσε αναμφισβήτητα να σώσει εκατομμύρια ζωές, για παράδειγμα, με την απόδοση Anopheles κουνούπια ανθεκτικά στη μόλυνση από παράσιτα ελονοσίας.
Το ενδιαφέρον ήταν επίσης υψηλό για την ανάπτυξη γονιδιακών δυνάμεων να χαλιναγωγήσουν αρουραίους και ποντίκια, τα οποία ως χωροκατακτητικά είδη συχνά απειλούν έντονα την άγρια ζωή. Στο νησί Midway, ένα κρίσιμο έδαφος αναπαραγωγής άλμπατρος στον Βόρειο Ειρηνικό, τα πουλιά σχεδόν εξαφανίστηκαν από αρπακτικά ποντίκια που έφτασαν πριν από περίπου έναν αιώνα. Μια τεράστια εκστρατεία δηλητηρίασης εξάλειψε τους αρουραίους και έσωσε τα άλμπατρος το 1995 - αλλά οι οικολόγοι θα προτιμούσαν να έχουν ένα λιγότερο αμβλύ όπλο για να σταματήσουν τα ανεπιθύμητα θηλαστικά σε άλλες καταστάσεις. (Σύμφωνα με αναφορές πριν από ένα χρόνο, τα ποντίκια στο νησί Midway γίνονται τώρα μια νέα απειλή για τα πουλιά.)
Ωστόσο, αυτό που για πρώτη φορά ώθησε την αναπτυξιακή βιολόγο Kimberly Cooper να ασχοληθεί με την τεχνολογία γονιδιακής κίνησης για ποντίκια δεν ήταν η διατήρηση αλλά η εξέλιξη. Στο εργαστήριό της στο UCSD, αυτή και οι συνάδελφοί της μελετούν την εξέλιξη του jerboa, ενός τρωκτικού με μακριά πόδια με άλμα, δίποδο βάδισμα, το οποίο απέκλινε από τη γενεαλογία των ποντικών πριν από δεκάδες εκατομμύρια χρόνια. Η Cooper και οι συνάδελφοί της προσπαθούν να βρουν τον άγνωστο συνδυασμό γενετικών αλλαγών που ευθύνονται για αυτόν τον εξελικτικό μετασχηματισμό, κάνοντας τα εργαστηριακά ποντίκια να φέρουν σταδιακά περισσότερα χαρακτηριστικά jerboa.
Αυτό το είδος του έργου είναι επαχθές με τα θηλαστικά, ωστόσο, λόγω όλων όσων εμπλέκονται στη λήψη των επιθυμητών γονιδίων σε μεμονωμένα ζώα μέσω της συμβατικής αναπαραγωγής. Τα γενετικά πειράματα χρειάζονται συνήθως ζώα που είναι ομόζυγα για ένα χαρακτηριστικό, που σημαίνει ότι φέρουν αντίγραφα του σχετικού γονιδίου τόσο στα μητρικά όσο και στα πατρικά τους χρωμοσώματα. Για να δημιουργήσουν ένα ποντίκι που είναι ομόζυγο για τρεις μόνο μεταλλάξεις που ενδιαφέρουν, οι ερευνητές μπορεί να χρειαστεί να διασταυρώσουν εκατοντάδες ή και χιλιάδες ποντίκια με μεταλλάξεις ενός χρωμοσώματος. Το έργο jerboa του Cooper θα μπορούσε εύκολα να αποδειχθεί ότι χρειάζεται ποντίκια ομόζυγα για 10 ή περισσότερα γονίδια.
«Πάντα πίστευα ότι θα ήταν αδύνατο γιατί η γενετική του συνδυασμού πολλών πραγμάτων είναι ένα χάος στα ποντίκια», είπε. «Χρειάζεσαι τόσα πολλά ζώα. Χρειάζεται τόσο πολύς χρόνος και τόσα χρήματα.»
Αλλά πριν από τρία χρόνια εμπνεύστηκε να ακολουθήσει το παράδειγμα των συναδέλφων της στο UCSD Valentino Gantz και Ethan Bier, βιολόγων που είχαν πρόσφατα επιδείξει αυτό που αποκαλούσαν «ενεργή γενετική» στις μύγες των φρούτων. Η ενεργή γενετική αναφέρεται στη χρήση γενετικών στοιχείων για την ενίσχυση της κληρονομικότητας συγκεκριμένων χαρακτηριστικών πέρα από το φυσιολογικό ποσοστό 50 τοις εκατό που παρατήρησε για πρώτη φορά ο Γκρέγκορ Μέντελ. Οι Gantz και Bier ταξινομούν τις γονιδιακές ορμές ως μια αυτοδιαιωνιζόμενη μορφή ενεργού γενετικής.
«Αναγνώρισα ότι η ίδια τεχνολογία θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί στο εργαστήριο για να αυξήσει ιδανικά το ποσοστό κληρονομικότητας μιας τροποποιημένης έκδοσης ενός γονιδίου», είπε ο Cooper. Θα της επέτρεπε επίσης να φέρει γονίδια από άλλα είδη εκτός από ποντίκια. «Θα μπορούσατε να φτιάξετε γενετικά πολύπλοκα ζώα που ίσως δεν μπορούσαν να δημιουργηθούν πριν.»
Όπως περιγράφουν στη νέα τους εργασία, η Cooper και η ομάδα της κατασκεύασαν έναν μηχανισμό ενεργού γενετικής που επέτρεψε σε ένα γονίδιο «δείκτη» να εξαπλωθεί γρήγορα μέσω μιας σειράς ποντικών. Η Cooper τονίζει ότι αυτό που έφτιαξαν δεν ήταν τεχνικά μια γονιδιακή κίνηση:Ως μέτρο ασφαλείας, τα δύο συστατικά του μηχανισμού της — το ένα υπεύθυνο για την κοπή του DNA και το άλλο για τη στόχευση της κοπής — διαχωρίστηκαν σε διαφορετικά μέρη του γονιδιώματος. Αυτός ο διαχωρισμός εμπόδισε τον μηχανισμό να εξαπλωθεί σε πολλές γενιές ανεξέλεγκτα. Ωστόσο, η επιτυχία του χρησίμευσε ως απόδειξη της ιδέας για γονιδιακές κινήσεις στα θηλαστικά.
Ακόμα κι έτσι, αυτή η επιτυχία ήρθε με επιφυλάξεις. Απροσδόκητα, το ενεργό γενετικό σύστημα του Cooper δεν λειτούργησε σε αρσενικά ποντίκια, μόνο σε θηλυκά. Και ακόμη και μεταξύ των θηλυκών, ο μηχανισμός λειτούργησε μόνο περίπου το 70 τοις εκατό του χρόνου στην καλύτερη περίπτωση.
«Αν κάποιος προσπαθούσε να δημιουργήσει μια γονιδιακή μονάδα χρησιμοποιώντας αυτόν τον τύπο μηχανισμού αυτή τη στιγμή, δεν θα εξαπλώθηκε σε έναν πληθυσμό πολύ γρήγορα και πιθανότατα δεν θα συνέχιζε», είπε ο Κούπερ. Ο περιορισμός στα θηλυκά θα μείωνε την αποτελεσματικότητα των γονιδιακών κινήσεων για την ανάπτυξη νέων σειρών ζώων εργαστηρίου, αλλά θα μπορούσε τουλάχιστον να επιταχύνει τη διαδικασία αναπαραγωγής.
Αυτή και οι συνάδελφοί της υποψιάζονται ότι ο μηχανισμός αντιγραφής γονιδίων είχε διαφορετική απόδοση σε άνδρες και γυναίκες λόγω των λεπτών διαφορών στον τρόπο παραγωγής του σπέρματος και των ωαρίων. Σε ένα κύτταρο που παράγει ωάρια, ζεύγη χρωμοσωμάτων μπορεί να ευθυγραμμιστούν μεταξύ τους νωρίτερα στη διαδικασία παραγωγής, βελτιώνοντας τις πιθανότητες ότι εάν ένα από τα χρωμοσώματα κοπεί, το κύτταρο θα το επισκευάσει με το επιθυμητό DNA από τον σύντροφό του. «Μπορεί να είμαστε σε θέση να βελτιώσουμε την αποτελεσματικότητα και να την κάνουμε να λειτουργήσει στους άντρες, αν μπορούμε να πετύχουμε το σωστό χρονοδιάγραμμα», είπε ο Cooper.
Ο Anthony James, μοριακός γενετιστής στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Irvine, είπε ότι, με ορισμένες βελτιώσεις, η ενεργή γενετική θα είναι τελικά χρήσιμη για την παραγωγή των πολύπλοκων εργαστηριακών ζώων που χρειάζονται διάφορα πεδία για τις γενετικές τους μελέτες, παρέχοντας μια πολύ πιο αποτελεσματική εναλλακτική λύση στη σημερινή τεχνικές. (Ο James συνεργάστηκε με τους Gantz και Bier σε μια πειραματική δράση γονιδίων κατά της ελονοσίας για τα κουνούπια το 2015.) Η συμβατική αναπαραγωγή ποντικών με συγκεκριμένους συνδυασμούς πολλών γονιδίων μπορεί να χρειαζόταν μια δεκαετία στο παρελθόν, είπε. Η ενεργή γενετική μπορεί να το συντομεύσει σε ένα ή δύο χρόνια.
Η εισαγωγή γονιδίων σε ποντίκια ένα προς ένα με το CRISPR θα ήταν ένας άλλος τρόπος για να γίνει αυτό, αλλά πιστεύει ότι η ενεργός γενετική θα είναι ανώτερη και από αυτό. «Το κανονικό παλιό CRISPR είναι καλό για την τροποποίηση ενός γονιδίου που βρίσκεται ήδη εκεί», είπε. "Αλλά εάν θέλετε να προσθέσετε γονίδια ή να τα αντικαταστήσετε και να τα αντικαταστήσετε, το σύστημα γονιδιακής κίνησης θα ήταν πολύ καλύτερο για αυτό."
Ο ενθουσιασμός που εξέφρασε ο Bruce Conklin, ένας γενετιστής στα Ινστιτούτα Gladstone στο Σαν Φρανσίσκο, ο οποίος έγραψε ένα σχόλιο στη μελέτη του Cooper για το Nature , είναι πιο μετρημένο. «Είναι πολύτιμο, αλλά με το CRISPR, μπορούμε [ήδη] να φτιάξουμε πολύ περίπλοκα μοντέλα πολύ γρήγορα», είπε. Ωστόσο, χαιρετίζει το έργο για την επισήμανση διαφορών που παραβλέπονται στη βιολογία των αρσενικών και των θηλυκών κυττάρων και πιστεύει ότι η προσέγγιση ενεργού γενετικής που υποστηρίζει μπορεί να βοηθήσει στην κατανόηση της επιδιόρθωσης του DNA και άλλων θεμελιωδών μηχανισμών στη μοριακή βιολογία.
Ο Cooper βλέπει μια θετική πλευρά στο γεγονός ότι οι γονιδιακές ενάρξεις φαίνεται να είναι πιο δύσκολο να δημιουργηθούν στα θηλαστικά παρά στα έντομα, δεδομένης της διαμάχης σχετικά με την πιθανή χρήση τους. Η βελτίωση της αποτελεσματικότητας της ενεργού γενετικής στα θηλαστικά θα διαρκέσει μερικά χρόνια. «Εν τω μεταξύ, μπορούμε να κάνουμε σοβαρές συζητήσεις για το τι μπορεί και τι πρέπει να γίνει [με γονιδιακές μονάδες] στην άγρια φύση», είπε.
Αυτό το άρθρο αναδημοσιεύτηκε στο ScientificAmerican.com.
