Исследование, опубликованное в журнале Science Advances, сочетает в себе передовой генетический и статистический анализ, чтобы показать, как определенные генетические и поведенческие качества у болезнетворных насекомых, таких как комары, делают эти виды устойчивыми к генетическим манипуляциям.Это сопротивление может затруднить попытки использовать CRISPR-Cas9 в борьбе с малярией — смертельным заболеванием, передаваемым комарами, которое угрожает более 3 миллиардам человек во всем мире, — или с фитофторозом, таким как западный кукурузный корень, инвазивный вид, который обходится США примерно в 10 тысяч рублей. Ежегодно потеря урожая составляет 1 миллиард долларов.Открытие системы CRISPR-Cas9 — или просто CRISPR — в начале 2010-х годов обеспечило беспрецедентный уровень точности генетического редактирования.
Ученые могут использовать этот метод для создания высокоточных генетических «ножниц», которые вырезают и заменяют определенные части генома последовательностями по их выбору. В конце 2015 года два английских ученых первыми продемонстрировали, что этот метод может распространять бесплодие среди болезнетворных комаров.
«Мы обнаружили, что небольшие генетические вариации внутри видов — а также склонность многих насекомых к инбридингу — могут серьезно повлиять на эффективность попыток уменьшить их численность с помощью технологии CRISPR», — сказал Майкл Дж. Уэйд, заслуженный профессор биологии в IU. Блумингтон. «Хотя эти встречающиеся в природе генетические варианты, устойчивые к CRISPR, встречаются редко, но их достаточно, чтобы остановить попытки контроля над популяциями с помощью генетической технологии, быстро вернув дикие популяции к их более ранним,« до-CRISPR »числам».
Это означает, что дорогостоящие и требующие много времени усилия по внедрению генов, которые могли бы контролировать популяции насекомых — например, признак, заставляющий самок комаров откладывать меньше яиц, — исчезнут через несколько месяцев. Это связано с тем, что самцы комаров, используемые для передачи новых генов, поскольку они не кусаются, живут всего около 10 дней.Защитный эффект естественной генетической изменчивости достаточно силен, чтобы преодолеть использование «генного драйва», основанного на технологии на основе CRISPR — если генный драйв не совпадает с генетическим фоном конкретной целевой популяции, добавил Уэйд. Генные влечения относятся к генам, которые распространяются со скоростью почти 90 процентов, что значительно выше, чем нормальная 50-процентная вероятность наследования, которая возникает у организмов, размножающихся половым путем.
Уэйд, эксперт по «эгоистичным генам», которые функционируют аналогично генным драйвам из-за их «супер-дарвиновской» способности быстро распространяться среди населения, объединился с коллегами из IU, включая Габриэля Э. Центнера, эксперта по CRISPR- основанные на генетических инструментах и ??доцент кафедры биологии — для изучения эффективности контроля численности на основе CRISPR мучных жуков, вида, который, по оценкам, уничтожает 20 процентов мирового зерна после сбора урожая.Команда разработала вмешательства на основе CRISPR, нацеленные на три сегмента генома мучного жука из четырех частей мира: Индии, Испании, Перу и Индианы. Затем они проанализировали ДНК всех четырех разновидностей жуков и обнаружили встречающиеся в природе варианты в последовательности целевого гена, присутствие которых может повлиять на эффективность технологии на основе CRISPR.Анализ выявил генетическую изменчивость у всех четырех видов почти в каждом проанализированном сегменте ДНК, включая показатель дисперсии до 28 процентов у перуанских жуков.
Примечательно, что статистический анализ Уэйда показал, что уровень генетической изменчивости всего 1 процент — в сочетании со скоростью инбридинга, типичной для комаров в дикой природе — был достаточен для устранения любых основанных на CRISPR методов популяционного контроля в шести поколениях.Результаты показывают, что тщательный анализ генетической изменчивости в целевой популяции должен предшествовать усилиям по борьбе с болезнетворными насекомыми с использованием технологии CRISPR. Они также предполагают, что непреднамеренное распространение модифицированных генов по всему миру крайне маловероятно, поскольку типичные уровни генетической изменчивости создают естественный барьер на пути распространения между регионами или видами.
«Основываясь на этом исследовании, любой, кто пытается сократить популяции насекомых с помощью этого метода, должен провести тщательный генетический анализ области целевого гена для оценки степени вариабельности», — сказал Уэйд. «Это поможет предсказать эффективность метода, а также даст представление о способах обхода естественной генетической изменчивости за счет использования вариантов Cas9 с измененной специфичностью последовательности».