Уловка 22: как генная инженерия конфликтует с эволюцией

Технология генного драйва обещает распространить нужные черты в популяции вида, и даже ликвидировать целый вид. Но эволюционные силы вмешиваются в амбициозные человеческие планы. В переполненном зале в Harbor Laboratory Cold Spring в Нью-Йорке в августе ученые обсуждали, как противостоять естественному сопротивлению организмов генетическому вмешательству, и нужно ли вообще бороться с природой.

Генная инженерия может распространять некоторые свойства вопреки законам наследования. Обычно шансы специфических черт проявиться в следующем поколении составляют 50-50. Технологии редактирования генов могут увеличить вероятность почти до 100 процентов. Генетическое доминирование измененных генов продолжится во всех последующих поколениях.

Хотите, чтобы у всех плодовых мушек в вашей лаборатории были светлые глаза? Измените гены, отвечающие за цвет глаз, и в недалеком будущем у вас будут плодиться и размножаться только светлоглазые плодовые мушки – и так поколение за поколением.

Генный драйв – это метод, который позволяет быстро распространить измененный человеком ген в дикой популяции животных или растений. Генный драйв работает с любыми видами, которые размножаются половым путем, и у него есть потенциал для борьбы с серьезными заболеваниями, спасения вымирающих видов, успешного ведения сельского хозяйства. Ученые скоро будут способны изменить геном малярийного комара так, чтобы тот перестал разносить инфекцию, или бороться с инвазивными видами, которые случайно попали в экосистему и теперь угрожают биологическому равновесию.

У человека впервые в истории появилась возможность влиять на генетику диких видов. Это влечет много этических и практических проблем, и говорят об этом не только критики, но и сами ученые. Особое внимание Филипп Мессер в своей презентации обращает на потенциальные загвоздки, которые могут помешать работе с дикими экосистемами. Обычно природа находит путь обойти вмешательство человека. Возбудители заболеваний становятся устойчивыми к антибиотикам, насекомые-вредители и сорная трава адаптируются к пестицидам. Если мы перепрограммируем геном комара или какого-либо инвазивного вида, они cмогут противостоять изменениям.

«Эволюция способна победить даже генную инженерию,» – говорит Кевин Эсвельт, эволюционный биолог из Массачусетского технологического института. «На эволюционной шкале времени мы ничего не изменили – за исключением вымирания видов.»

Генный драйв – молодая технология, которая пока не попадала в дикую природу. Лабораторные исследования демонстрируют, что генный драйв работает на практике – были проведены успешные эксперименты на плодовых мухах, комарах и дрожжах. В ходе большинства из этих экспериментов выяснилось, что микроорганизмы начинают развивать эволюционное сопротивление, которое препятствует работе трансгена. Однако это выяснилось при работе с небольшими популяциями организмов. Никто не проверял, как генный драйв будет работать в больших популяциях с более высоким генетическим разнообразием, таких как миллионы роев насекомых в дикой природе.

Это невозможно и неэтично – проверить работу генного драйва в обширной дикой популяции.Ученые называют данную проблему Уловкой-22, поскольку ее решение противоречит самому себе: чтобы проверить генный драйв на безопасность, нужно распространить мутации в естественной среде. Можно Можно создать искусственные модели для оценки, как дикие популяции отреагируют на введение ДНК-элементов. Именно этим занимается Филипп Мессер и его коллеги. Ученый хочет узнать, «что будет происходить на уровне популяции, если ввести ген и оставить вид развиваться на многие поколения вперед, и как и когда сопротивление войдет в игру.»

На встрече в Cold Spring Harbor Laboratory, Мессер рассказал о компьютерной модели, которую разработала его команда. Эта модель описана в документе, размещенном в июне на сайте препринтов biorxiv.org. Эта работа является одной из трех теоретических работ по устойчивости к генному драйву, представленных на biorxiv.org в течение последних пяти месяцев – остальные выполнили исследователи Университета штата Техас, Остина, и совместная команда из Гарвардского университета и Массачусетского технологического института. По словам Мессера, его модель предполагает, что «сопротивление будет развиваться почти неизбежно в стандартных системах.»

Некоторые исследователи утверждают, что сопротивление может быть важным элементом естественной безопасности. Эволюция непредсказуема по самой своей природе, но некоторые биологи используют математические модели и ставят эксперименты в лаборатории, чтобы попытаться понять, как этот мощный генетический инструмент будет вести себя в дикой природе.

Как работает генный драйв

Сопротивление не бесполезно

Генная инженерия не являются исключительно человеческой технологией, она иногда появляется в природе. Естественные версии генной инженерии – это воздействие радиации или химических веществ, которые провоцируют мутации в генах. Как рассказала Анна Бухман, доктор молекулярной биологии в Университете Калифорнии, этими особенностями «можно манипулировать, чтобы распространять гены через популяцию или подавлять их.» Именно эти технологии человек традиционно использовал в селекции.

В 2003 году Остин Берт, эволюционный генетик из Имперского колледжа в Лондоне, предложил более тонкий подход, называемый генным драйвом. Он заключается в введение белков-эндонуклеазов, которые расщепляли бы ДНК на определенном участке. Берт упомянул потенциальную проблему сопротивления – и предложил некоторые решения – как в своем основополагающем документе, так и в последующей работе. Но в течение многих лет было трудно спроектировать генный драйв в лаборатории, поскольку имеющаяся технология была громоздкой.

С появлением генной инженерии идея Берта стала реальностью. В 2012 году ученые представили CRISPR, инструмент для редактирования генов, который был описан как молекулярный текстовый процессор. Ученые получили возможность изменять генетическую информацию в любом организме. CRISPR определяет местонахождение конкретного участка генетического кода, а затем разрывает обе нити ДНК в этом месте. Это позволяет удалить, добавить или заменить гены.

У организмов, которые размножаются половым путем, двойной набор хромосом – от отца и матери. Исследователи вводят в организм ген, оснащенный CRISPR. Инструмент вырезает одну из родительских хромосом, в которую нужно внести изменения. Клетка не умирает от внесения разрыва в ДНК, так как этот разрыв исправляется по здоровой копии из парной хромосомы за счет естественного механизма восстановления.

Всего через три года после открытия CRISPR ученые из Университета Калифорнии в Сан-Диего использовали CRISPR для вставки наследуемых генов в ДНК плодовых мух. Теперь ученые могут заказать необходимые биологические инструменты в Интернете и построить рабочий участок ДНК в считанные недели.

«Любой человек со знанием генетики и несколькими сотнями долларов в кармане способен на это,» – говорит Мессер. «Поэтому очень важно досконально изучить эту технологию».

Существует много различных способов редактирования генов. Наибольшее внимание уделяют замене и подавлению. Замена генов изменяет определенную черту. Например, «антималярийный» генный драйв изменяет геном комара так, что насекомое больше не может переносить малярийных плазмодиев – возбудителей заболевания. В этой ситуации новые гены будут быстро распространяться через дикую популяцию, так что ни один из комаров в итоге не сможет переносить паразитов, и это остановит распространение болезни. Подавление генов способно уничтожить популяцию: например, изменение ДНК, которое сделает всех потомков однополыми, остановит воспроизведение.

Однако дикие популяции могут сопротивляться генному драйву непредсказуемым образом.

«Мы знаем из прошлого опыта, что комары, особенно малярийные, имеют своеобразную биологию и поведение», – говорит Фламиния Каттеруцция, молекулярный энтомолог из Harvard T.H. Chan School of Public Health. «Эти комары являются гораздо более устойчивыми, чем мы предполагаем. И провести генную инженерию будет сложнее, чем мы думаем. Такую непредсказуемость, вероятно, можно встретить у любого вида.

Образец крови инфицированных малярией содержит два малярийных плазмодия

Три новых исследования, опубликованных на biorxiv.org, используют различные модели, чтобы попытаться понять эту непредсказуемость хотя бы на примитивном уровне.

Ученые из Корнелльского университета использовали базовую математическую модель, чтобы понять, как эволюционное сопротивление будет появляться при замене гена. Она фокусируется на том, как ДНК »лечится» после того, как CRISPR разрушает его.

После разрыва ДНК способна ремонтировать саму себя. Один из вариантов называется негомологичное соединение концов: две разорванные нити ДНК соединяются случайным образом. Представьте, что вы удалили из одного предложения фразу, а затем заменили ее произвольным набором слов. Эта лингвистическая конструкция все еще выглядит как предложение, но она не имеет смысла. То же самое с ДНК. Второй вариант – это гомологичная репарация. Чтобы излечить разорванную ДНК, используется генетический шаблон. Это почти то же самое, что и в случае с предложением – только вы заменяете исключенную фразу на известную цитату, соответствующую контексту.

Негомологичное соединение концов – это путь к выработке сопротивления генетическому вмешательству. Поскольку система CRISPR предназначена для поиска определенного участка ДНК, она не распознает разделы, в середине которых стоит бессмысленное сочетание букв. Поэтому «чужеродный» ген невозможно вживить в ДНК, и он не передастся следующему поколению. Шаблон для гомологичной репарации, напротив, может гарантировать генный драйв, так как он может содержать вживленный ген.

Модель ученых Корнелльского университета проверяет оба сценария.

«То, что мы обнаружили, действительно зависит от двух вещей: скорости негомологичного соединения концов и численности популяции», – рассказывает Роберт Анклесс, эволюционный генетик из Университета Канзаса и один из соавторов исследования. «Если вы не можете контролировать негомологичное соединение, сопротивление неизбежно. Но распространение механизма сопротивления может занять некоторое время – и это даст вам возможность достичь цели. Если вам нужно окольцевать город безобидными комарами, генный драйв может опередить сопротивление».

Команда из Гарварда и MIT также рассмотрела случай с негомологичным соединением. Однако ученые предложили способ обойти сопротивление: для этого нужно ввести несколько участков генов. Также можно попытаться сделать так, чтобы организм отторгал генный драйв за счет жизненно важного гена – тогда сопротивление прекратиться, так как такой ген организм не может позволить себе потерять.

Авторы третьего исследования из университета Остина взглянули на сопротивление с совершенно другой стороны. Они рассмотрели случай, когда отторжение генного драйва проявляется не в целевой последовательности ДНК, а в поведении особей. Дикие особи могут перестать спариваться с модифицированными – и тогда измененные гены не передадутся по наследству.

Сопротивление ограничивается только пределами эволюционного творчества. Например, если комар модифицирован, чтобы противостоять малярии, сам малярийный паразит может мутировать в новой форме.

Не ошибка, а особенность?

Если целью генного драйва является распространение нужной черты в популяции, то сопротивление – это плохо. Если генный драйв перестанет работать у модифицированных комаров, то болезнь продолжит распространяться.

Однако на встрече Cold Spring Harbor Laboratory Мессер предложил нечто неожиданное.

«Давайте примем сопротивление. Оно может оказаться ценным механизмом контроля безопасности. Возможно, что генный драйв способен работать лишь для того, чтобы остановить распространение болезни в той или иной области, а затем он останавливается, прежде чем распространиться на москитов всего мира и увеличить вероятность непредвиденного экологического разорения», – заявил ученый.

Не все уверены, что этот оптимизм оправдан.

«Это ложная безопасность», – утверждает Этан Бир, генетик из Университета Калифорнии.

Он заявляет, что в то время как такая стратегия имеет важное значение для изучения, исследователи могут быть введены в заблуждение подобными взглядами.

Исследователи подчеркивают, что модели не могут заменить реальные эксперименты. Природные экосистемы слишком сложны.

«У нас нет опыта работы с системами, которые должны развиваться вне нашего контроля. Мы никогда не делали этого раньше» – говорит Эсвельт. «Многие из этих модельных исследований очень важны – они могут навести нас на мысль о том, как эти механизмы функционируют в природе. Но я не решаюсь полностью полагаться на моделирование и предсказывать ситуацию заранее, когда системы настолько сложны».

Мессер надеется проверить свою теорию на практике – как минимум, в лаборатории. Сейчас он хочет провести эксперимент в Корнелльском университете и отследить поведение модифицированных генных участков у 5000 дрозофил каждый – это больше животных, чем в предыдущих исследованиях сопротивления генному драйву. Эксперимент будет заключаться в распространении в популяции мушек флуоресцентного белка. Белки будут светиться красным при особом освещении. Этот визуальный сигнал будет демонстрировать, насколько далеко успеет распространиться ген, кодирующий этот белок, пока сопротивление не отсеет его.

Эсвельт и Каттеруцция работают над генным драйвом для малярийных комаров, который, будет невосприимчив к сопротивлению. Они планируют вставить несколько участков в одну и ту же хромосому – эту стратегию предложили в своем исследовании Гарвард и MIT. Она позволит ученым ограничить генный драйв,сначала способствуя распространению мутантного гена, а через несколько поколений приводя к его исчезновению.

Такие эксперименты, скорее всего, направят следующее поколение компьютерных моделей и помогут адаптировать их к большой дикой популяции.

Оригинал статьи