Жителям города Гамельн, который подвергся крысиному нашествию, не пришлось бы обращаться за помощью к музыканту, будь у них доступ к технологии генного драйва (gene drive). Речь идёт о механизме, который позволяет быстро распространить изменённый человеком ген в дикой популяции животных или растений.
Ещё недавно большая часть споров о генном драйве была сосредоточена вокруг экспериментов с насекомыми. Дело в том, что ранее этот механизм применялся исключительно к этим существам. Теперь ситуация изменилась.
Биологи из Калифорнийского университета в Сан-Диего впервые использовали инструмент редактирования генома CRISPR/Cas9 для контроля генетической наследственности у мышей. В этом им помогла новая "активная генетическая технология".
Ранее авторы проекта "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) не раз рассказывали о принципе работы генного драйва, который учёные относят к методам "активной генетики" в вопросах редактирования генома. Дело в том, что с его помощью можно контролировать, какая из двух копий гена будет передаваться следующему поколению.
Напомним, что большинство животных имеют две копии каждого гена, но передают своему потомству лишь одну. Соответственно, второй родитель "дарит" вторую копию.
Иными словами, существует только 50-процентная вероятность того, что следующее поколение унаследует определённый кусок ДНК от одного из родителей. К такому выводу пришёл в далёком 1865 году знаменитый учёный Грегор Мендель, изучавший горох. Открытые им закономерности наследования также называются законами Менделя.
Собственно, американские биологи, работающие под руководством Кимберли Купер (Kimberly Cooper), попытались "обмануть" законы природы. Дело в том, что в случае с лабораторными животными учёным очень неудобно каждый раз "подбрасывать монетку" (вероятность того, будет или не будет унаследован нужный ген следующим поколением, можно сравнить с вероятностью падения монеты на одну из своих сторон).
Когда же речь идёт о нескольких генах (а, как правило, те или иные заболевания определяются несколькими генами), вероятность получить нужное сочетание в одном животном будет ещё ниже. Например, три вызывающих болезни гена будут собраны в одном существе, если шесть монет одновременно упадут аверсом вверх.
Генный драйв меняет привычные правила наследования, гарантируя, что нужные гены передадутся всем потомкам существа-носителя, а не только половине из них. Соответственно, такая технология может быстро и безвозвратно изменить популяцию (и, возможно, даже уничтожить её, что в общем-то и требовалось жителям Гамельна).
Эволюционный биолог из Университета Северной Каролины Фред Гоулд (Fred Gould), не участвовавший в исследовании, сравнивает генные драйвы со льдом-девять из романа "Колыбель для кошки" Курта Воннегута. Речь идёт о причудливой форме льда (к счастью, несуществующей), которая замораживает всю воду, к которой прикасается.
Как объясняют учёные, генные драйвы распространяются быстро, поскольку они используют молекулярные ножницы, известные как CRISPR/Cas9. Последние помогают генным драйвам вставить себя в определённый участок ДНК организма.
Обычно такой механизм содержит инструкции по разрезанию ДНК ферментом Cas9 в нужных местах, а также инструкции по созданию направляющей РНК, которая ведёт фермент к определённому гену. Когда Cas9 разрезает ДНК, клетки могут восстановить разрыв, скопировав версию гена, содержащую генный драйв. Такое копирование гарантирует, что всё потомство унаследует генный драйв.
Сначала группа Купер создала активный генетический элемент ДНК под названием "Подражатель" (CopyCat). Это была своего рода половина генного драйва, так как "Подражатель" имел только инструкции для создания направляющей РНК (без "режущего" фермента Cas9). Специалисты внедрили CopyCat в мышиный ген Tyr. Этот ген контролирует цвет шерсти мышей.
Таким образом, учёные смогли легко понять, работает ли механизм у млекопитающих (а не только у насекомых, организм которых сильно отличается от организма млекопитающих). Если CopyCat успешно внедрялся в мышиный ген Tyr, то цвет шерсти мышат должен быть белым (вместо чёрного), если нет – то он будет, соответственно, чёрным.
Купер особенно подчёркивает, что технически то, что они сделали, ещё не было генным драйвом как таковым, так как без разрезающего молекулу ДНК фермента Cas9 он не может распространяться свободно в популяции животных. Это было сделано намеренно.
В качестве меры безопасности два компонента механизма (один, ответственный за разрезание ДНК, другой – за нацеливание на место разреза) были разделены по разным частям генома, они располагались на разных хромосомах. Именно это разделение не позволило "нововведению" бесконтрольно распространяться и передаваться новым поколениям грызунов.
Впоследствии учёные вывели мышей, которые унаследовали и "Подражатель", и фермент Cas9 (в дикой природе организмы мышей его не производят). В результате чего было создано первое поколение ГМ-мышей, в которых генный драйв работал.
Как и следовало ожидать, новый метод увеличил вероятность наследования конкретного нужного учёным гена. Однако, если исследователи ожидали увидеть, что 100 процентов потомства будут нести изменённый ген, в реальности ситуация была иной. Как установили генетики, лишь 86% потомства отвечали заданным критериям. Оказалось, что в силу определённых причин CopyCat срабатывал только у самок мышей и только в определённый довольно короткий промежуток времени. В итоге генный драйв наследовала только часть потомства.
86% в любом случае больше "менделевских" 50%, однако они пока не дотягивают до нужных учёным 95%. Тем не менее специалисты впервые использовали такую "активную генетику" в работе с млекопитающими, что само по себе уже считается большим достижением.
"Мы хотели разработать форму генного драйва, который можно было бы использовать в качестве инструмента для лабораторных исследований с целью контроля наследования нескольких генов у мышей", – говорит Купер. Её команда считает, что благодаря такому методу в будущем можно будет создать животные модели сложных генетических заболеваний человека, таких как артрит и рак. В настоящее время вывести таких мышей и тем более сложных животных невозможно, хотя наука в них остро нуждается.
По словам профессора Калифорнийского университета в Сан-Диего и соавтора работы Итана Биера (Ethan Bier), результаты "открывают путь для различных применений [генного драйва] в синтетической биологии, включая создание сложных генетических систем для изучения разнообразных биологических процессов".
"Теперь мы хотим посмотреть, можем ли мы эффективно контролировать наследование трёх генов у животного. Если это станет возможным, то произведёт революцию в генетике мышей", – говорит Купер.
В то время как новая технология разрабатывается для лабораторных исследований, предполагается, что в будущем её можно будет применять и в дикой природе. Например, для восстановления баланса естественного биоразнообразия в экосистемах, переполненных инвазивными видами (такие проблемы в современном связанном морскими путями мире не редкость), или для контроля популяций грызунов, которые угрожают урожаям.
"Дополнительные усовершенствования позволят разработать технологию генного драйва для модификации или возможного уменьшения популяций млекопитающих, являющихся переносчиками болезней или наносящих ущерб коренным видам", – рассуждает Биер.
Научная статья по итогам исследования представлена в издании Nature.
Добавим, что авторы проекта "Вести.Наука" ранее рассказывали о других возможностях инструмента CRISPR. Так, генетики впервые опробовали технологию редактирования генов CRISPR на эмбрионах мышей во время их внутриутробного развития.
Если же говорить о применении метода при лечении заболеваний человека, то стоит вспомнить успех китайских специалистов. Они впервые опробовали метод генетического редактирования на человеке. К слову, исследователи из Великобритании также заявили о желании редактировать гены эмбрионов человека.
