Naukowcy tworzą nowy system do bezpieczniejszego testowania i opracowywania napędów genowych

Naukowcy nadal poszerzają granice technologiczne CRISPR, wraz z jego ogromnym potencjałem, w obszarach od zdrowia ludzkiego po globalne zaopatrzenie w żywność. Tak jest w przypadku napędów genowych opartych na CRISPR, narzędziu do edycji genów zaprojektowanym w celu wpływania na sposób przekazywania elementów genetycznych z pokolenia na pokolenie.

Napędy genowe zaprojektowane dla komarów mogą potencjalnie ograniczyć rozprzestrzenianie się infekcji malarią, które każdego roku powodują setki tysięcy zgonów. Problemy z bezpieczeństwem Został podniesiony, ponieważ takie popędy mogą szybko rozprzestrzeniać się i zdominować całe populacje. Naukowcy odkryli zasady rządzące rozprzestrzenianiem się elementów napędu genów w populacjach docelowych, takich jak komary, poprzez testowanie wielu różnych kombinacji elementów składających się na aparat napędowy. Jednak odkrywają, że jest jeszcze więcej do zbadania i że kluczowe pytania pozostają.

w dzienniku Komunikacja naturyBadacze z UCSD kierowani przez byłego doktora habilitowanego Gerarda Teradasa, wraz z naukowcem ze stopniem doktora Zhiqianem Li i profesorem Ethanem Beerem, w ścisłej współpracy z doktorantem UC Berkeley Jaredem Bennettem i profesorem nadzwyczajnym Johnem Marshallem, opisali opracowanie nowego systemu do testowania i opracowywania napędów genowych w laboratorium i bezpiecznie przekształcając je w narzędzia do potencjalnych zastosowań w świecie rzeczywistym.

Te studia […] Umożliwić nową inżynierię systemów napędów genowych, dostarczając jednocześnie ważnych informacji dotyczących sposobu oceny i analizy kluczowych interakcji między najważniejszymi ruchomymi częściami, powiedział Beer, członek wydziału w College of Biological Sciences, Department of Cell and Developmental Biology.

Napędy genowe oparte na CRISPR zawierają białko zwane endonukleazą Cas9 i przewodnią cząsteczkę RNA, która łączy siły, aby skierować fragmenty DNA do określonych miejsc w genomie, gdzie jest to nowe. elementy genetyczne można wprowadzić. Podczas gdy DNA naprawia te nacięcia, nowe elementy genetyczne są kopiowane z jednego chromosomu do drugiego, w wyniku czego potomstwo omija standardowe dziedziczenie w 50-50 procentach, ale zamiast tego preferuje nowo wstawione elementy genetyczne.

Napędy genowe występują w dwóch „smakach”. Kompletne napędy genów (fGD) przenoszą składniki Cas9 i wektora RNA w powiązanym pojedynczym pakiecie. W przeciwieństwie do tego napędy rozszczepiające (sGD) składają się z dwóch składników genetycznych, które oddzielnie przenoszą Cas9 i dyrektywne składniki RNA i są wstawiane w różnych miejscach genomu. Napędy rozszczepiające są bezpieczniejsze niż napędy fGD, ponieważ możliwe jest kontrolowanie i testowanie komponentów przenoszonych przez każdy komponent indywidualnie lub w warunkach, w których stopniowo wzmacnia się częstotliwość składnika gRNA. Naukowcy projektują te dwa komponenty, aby ostatecznie ponownie się połączyć, aby zapewnić efekty pełnego napędu genowego.

W przypadku zwalczania malarii całe napędy genowe wywołały wielki entuzjazm ze względu na ich zdolność do dostarczania elementów powstrzymujących przenoszenie pasożytów malarii powodujących infekcję. Jednak fGD wzbudziły również obawy ze względu na ich zdolność do szybkiego rozprzestrzeniania się i potencjalnej zmiany składu genetycznego całych populacji komarów. Eksperymentowanie z grupami fokusowymi wymaga ścisłych barier bezpieczeństwa i ograniczeń, aby zapobiec niezamierzonej ucieczce owadów z takimi ruchami do otwartego środowiska.

Nie inaczej jest w przypadku podziału Napędy genów. Ponieważ kluczowe elementy są dyskretne, sGD niosą ze sobą znacznie mniejsze ryzyko niezamierzonego rozprzestrzeniania się, a naukowcy mają większą kontrolę nad ich bezpieczną manipulacją. Eksperymenty z sGD można przeprowadzać w konwencjonalnych laboratoriach, co pozwala na większą elastyczność w testowaniu ich potencjału.

Jednak naukowcy napotkali wyzwania związane z opracowywaniem systemów, które skutecznie przekształcają sGD we w pełni funkcjonalne fGD. Jednym z wyzwań związanych z obecną konwersją sGD w fGD jest to, że zależą one od dwóch oddzielnych składników genetycznych, z których każdy musi wykazywać silne cechy motoryczne.

Teraz naukowcy z UC San Diego, którzy niedawno byli pionierami w rozwoju napędu genowego i powiązanych technologii, stworzyli elastyczny system do genetycznego „hakowania”, aby zamienić sGD w fGD. Pracować w muszki owocówkiW tym badaniu naukowcy opracowali nową strategię genetyczną, która wykorzystuje specjalnie zaprojektowany przewodnik RNA przenoszony przez fragment Cas9 sGD. To narzędzie hakerskie odcina składnik transkrypcyjny sGD i wyzwala wymianę genów lub „zdarzenie rekombinacji”, które wstawia Cas9 do elementu prowadzącego RNA, tworząc w pełni funkcjonalny fGD.

„Po pierwsze i najważniejsze, badanie dostarcza dowodów na wdzięczną konwersję genetyczną sGD do fGD, co powinno znacznie pomóc w testowaniu i opracowywaniu nowych, ulepszonych systemów napędu genów” – powiedział Teradas, pierwszy autor artykułu. , który obecnie pracuje na Penn State University.

Kiedy badacze opracowali swój nowy system hakowania sGD-to-fGD, zaczęły pojawiać się zaskakujące wyniki. Nowo infiltrowany wirus fGD rozprzestrzenił się zgodnie z oczekiwaniami wśród grup much w eksperymentach w klatkach. Jednak tempo, w jakim się rozprzestrzeniało, było nieoczekiwanie wolniejsze niż przewidywały modele dla tradycyjnego modelu AF.

Współpracujący naukowcy Bennett i Marshall opracowali model matematyczny, który dostarczył wyjaśnienia. Ich model ujawnił, że podczas transformacji hakerskiej fGD nakładają większy koszt sprawności na poszczególne muchy w porównaniu z samymi sGD. Ten koszt przystosowania, który rozwija się, gdy element napędowy kopiuje się, znika po tym, jak wszystkie potencjalne docelowe chromosomy w populacji zostaną podjęte.

„Badanie ujawnia nieoczekiwaną złożoność sposobu, w jaki komponenty napędu genowego współpracują ze sobą i ujawnia, że ​​nie można po prostu postawić hipotezy, w jaki sposób oddzielne komponenty będą oddziaływać, gdy zostaną połączone” – powiedział Bennett.

Pełna lista autorów artykułu obejmuje Gerarda Teradasa, Jareda Bennetta, Chekiana Lee, Johna Marshalla i Ethana Pierre’a.