Исследователи создают новую систему для тестирования и разработки более безопасных генных драйвов

Newswise — Ученые продолжают расширять технологические границы CRISPR, а также его огромный потенциал в самых разных областях, от здоровья человека до глобального снабжения продовольствием. Так обстоит дело с генными драйвами на основе CRISPR — инструментом редактирования генов, призванным влиять на то, как генетические элементы передаются от одного поколения к другому.

Генные драйвы, разработанные для комаров, могут уменьшить распространение малярийных инфекций, которые ежегодно вызывают сотни тысяч смертей, однако были подняты вопросы безопасности, учитывая, что такие драйвы могут быстро распространяться и поражать целые популяции. Ученые открыли принципы, управляющие распространением элементов генного драйва в целевых популяциях, таких как комары, путем тестирования множества различных комбинаций компонентов, составляющих аппарат драйва. Однако они обнаруживают, что еще многое предстоит изучить, и ключевые вопросы остаются.

в журнале Связь с природойИ Исследователи UCSD во главе с бывшим исследователем с докторской степенью Джерардом Терадасом вместе с научным сотрудником с докторской степенью Чжицяном Ли и профессором Итаном Биром в тесном сотрудничестве с аспирантом Калифорнийского университета в Беркли Джаредом Беннеттом и доцентом Джоном Маршаллом описывают разработку новой системы тестирования и разработку генных драйвов в лаборатории и безопасно превратить их в инструменты для потенциальных приложений в реальном мире.

— сказал Бир, преподаватель Колледжа биологических наук, отделение клеточной биологии и биологии развития.

Генные приводы на основе CRISPR включают белок, называемый эндонуклеазой Cas9, и направляющую молекулу РНК, которые объединяются, чтобы направлять фрагменты ДНК в определенные места в геноме, где могут быть вставлены новые генетические элементы. В то время как ДНК восстанавливает эти порезы, новые генетические элементы копируются из одной хромосомы в другую, в результате чего потомство на 50-50 процентов обходит стандартное наследование, но вместо этого предпочитает новые вставленные генетические элементы.

Генные драйвы бывают двух видов. Полные генные драйвы (fGD) несут как компоненты Cas9, так и компоненты векторной РНК в ассоциированном едином пучке. С другой стороны, Диски сегментации (sGD) Они состоят из двух генетических элементов, которые по отдельности несут компоненты Cas9 и векторной РНК и вставлены в разные места генома. SGD считаются более безопасными, чем системы fGD AF, потому что компоненты, переносимые каждым компонентом, можно контролировать и тестировать по отдельности или в условиях, когда вы постепенно увеличиваете частоту тягового компонента. Исследователи разрабатывают два компонента, которые в конечном итоге воссоединятся, чтобы обеспечить эффект полного генного драйва.

В случае искоренения малярии целые генные драйвы вызвали большой энтузиазм из-за их способности доставлять элементы, которые останавливают передачу малярийных паразитов, вызывающих инфекцию. Но фГД также вызывают опасения из-за их способности быстро распространяться и потенциально изменять генетический состав целых популяций комаров. Эксперименты с фокус-группами требуют жестких барьеров безопасности и ограничений для предотвращения непреднамеренного выхода насекомых при таких перемещениях в открытую среду.

Это не относится к расщепленным генам. Поскольку ключевые элементы являются дискретными, sGD несут гораздо меньший риск непреднамеренного распространения, и исследователи имеют больше контроля над их безопасным манипулированием. Эксперименты с sGD можно проводить в обычных лабораторных условиях, что обеспечивает большую гибкость для проверки их потенциала.

Однако ученые столкнулись с проблемами при разработке систем, которые эффективно преобразовывают sGD в полнофункциональные fGD. Одна из проблем с текущим преобразованием sGD в fGD заключается в том, что они зависят от двух отдельных генетических компонентов, каждый из которых должен проявлять мощные двигательные характеристики.

Теперь ученые Калифорнийского университета в Сан-Диего, которые недавно стали пионерами в разработке генного драйва и связанных с ним технологий, создали гибкую систему для генетического «взлома», чтобы превратить sGD в fGD. Работая с плодовыми мушками, исследователи разработали новую генетическую стратегию, в которой используется направляющая РНК, специально разработанная частью Cas9 sGD. Этот хакерский инструмент вырезает транскрипционный компонент sGD и запускает обмен генами или «событие рекомбинации», которое вставляет Cas9 в элемент, несущий направляющую РНК, создавая полностью функциональную fGD.

«Во-первых, и это самое главное, исследование обеспечивает доказательство принципа изящной генетической конверсии sGD в fGD, что должно значительно помочь в тестировании и разработке новых улучшенных систем генного драйва», — сказал Терадас, первый автор статьи. , который сейчас работает в Университете штата Пенсильвания.

Как только исследователи разработали свою новую систему взлома sGD-to-fGD, стали появляться некоторые удивительные результаты. Как и ожидалось, недавно проникший вирус fGD распространился среди групп мух в экспериментах с клетками. Однако скорость, с которой он распространяется, оказалась неожиданно ниже, чем модели, предсказанные для традиционной модели фГД.

Сотрудничающие исследователи Беннетт и Маршалл разработали математическую модель, которая дала объяснение. Их модель показала, что во время хакерской трансформации fGD требуют больших затрат на приспособление для отдельных мух по сравнению с одними sGD. Эта стоимость приспособленности, которая разворачивается, когда движущий элемент копирует себя, исчезает после воздействия на все потенциальные хромосомы-мишени в популяции.

«Исследование обнаруживает неожиданные сложности в том, как компоненты генного драйва работают вместе, и показывает, что нельзя просто предположить, как отдельные компоненты будут взаимодействовать при объединении», — сказал Беннетт.

в Связь с природой Полный список авторов статьи: Джерард Терадас, Джаред Беннетт, Чекиан Ли, Джон Маршалл и Итан Бир.

Исследование было поддержано: Наградой выдающегося исследователя от Пола Г. Аллена Frontiers Group, Национальных институтов здравоохранения (грант R01GM117321), подарком от Tata Trusts India Институту генетики и общества Tata — Калифорнийскому университету в Сан-Диего и гранту DARPA Safe Genes Program ( HR0011-17-2-0047).

Раскрытие информации о конкурирующих интересах: Бир имеет доли в двух компаниях, соучредителем которых он является: Synbal Inc. и Аграген, Инк. , который, скорее всего, выиграет от результатов поиска. Он также входит в совет директоров Synbal и научный консультативный совет обеих компаний.