Аннотация
В этой статье рассматривается общий процесс генного вождения и его методы. Сначала читателю будет дан краткий обзор концепции генного вождения, а также описание того, как системы генного вождения могут использоваться для манипулирования образцами менделевского наследования. Основное внимание в этой статье будет уделено методам генного вождения, важности CRISPR / Cas9 и опасностям генного влечения.
Генные приводы: манипулирование паттернами менделевского наследства
Генный драйв – это метод, с помощью которого генетики стремятся изменить нормальные образцы менделевского наследования в популяции. Генная энергия воздействует на модели менделевского наследования с помощью двух разных процессов. В первом процессе, хоминг, желательный аллель копирует себя в свой гомолог вместо аллеля дикого типа, что приводит к большему количеству потомков с этим аллелем (Champer, Buchman & Akbari., 2016). Второй процесс работает путем снижения жизнеспособности гамет, содержащих аллели дикого типа, по сравнению с аллелями генного драйва, тем самым снижая частоту аллелей дикого типа в популяции. В целом, цель генного влечения – либо подтолкнуть желаемую черту через популяцию (Модификация), либо подавить / устранить популяцию (Супрессия) (Champer et al., 2016). Генные приводы работают для достижения желаемых результатов с помощью ряда различных методологий.
Предлагаемые методы Gene Drive
Один из предложенных методов для генного влечения стремится имитировать естественный процесс, посредством которого специализированные гены ищут и нацеливают ген на противоположную хромосому. Гены, гены самонаводящейся эндонуклеазы (HEG), кодируют белок, который связывается с определенной последовательностью нуклеотидов и расщепляет ДНК в этом сайте. Системы генного привода, основанные на этом процессе, все вместе известны как приводы на основе самонаведения (Champer et al., 2016). HEG, которые встречаются в природе, не позволяют нацеливаться на конкретные гены. Задача выявления всех возможных встречающихся в природе ГЭГ и адаптации их к индивидуальным потребностям генетиков была бы монументальной. Вместо этого генетики искали новую технологию, которая позволяет создавать рекомбинантные HEG, которые могут быть нацелены на любой желаемый ген в геноме вида (Champer, et al., 2016). Этот предложенный метод, CRISPR / Cas9, будет обсуждаться позже в этой статье.
Приводы на основе хоминга работают путем принудительного восстановления ДНК посредством естественных процессов. Нить может восстанавливаться без помощи шаблонной нити путем лигирования сломанных концов нити обратно вместе, этот путь известен как негомологичное соединение концов или NHEJ (Gilles & Averof, 2015). Если возникает NHEJ, ген-мишень будет просто удален, а цепь будет восстановлена с удалением гена. Восстановление также может происходить при использовании цепи шаблона посредством гомологичного восстановления или HDR. В HDR HEG будет служить шаблоном для восстановления целевой цепи, что приведет к тому, что HEG присутствует в обеих гомологичных хромосомах (Champer et al., 2016). В любом случае нормальные паттерны менделевского наследования будут изменены из-за того, что приводы на основе хоминга работают во время деления мейотических клеток (Champer et al., 2016). Если возникает NHEJ, целевая ДНК будет иметь пониженную жизнеспособность по сравнению с ДНК, содержащей HEG. В целом это приводит к более низкой частоте аллеля дикого типа, что означает, что HEG функционирует в качестве гена подавления гена. HDR обладает дополнительным преимуществом распространения мутантного аллеля и снижения экспрессии аллеля дикого типа. Из-за этой уникальной природы приводы на основе хоминга желательны в качестве метода генного вождения. Из предложенных методов генного вождения, основанный на самонаведения драйв является единственным методом, способным как подавлять, так и модифицировать популяцию (Champer et al., 2016).
Другой предложенный метод генного влечения, связанный с полом мейотическое влечение, направлен на подавление популяции путем изменения количества потомства от мужчины к женщине. Связанные с полом мейотические инстинкты похожи на инстинкты самонаведения, поскольку содержат ген, несущий эндонуклеазу. Этот ген связан с полом самцов вида. В присутствии Х-хромосомы во время деления мейоза эндонуклеаза, продуцируемая геном, нацеливается и расщепляет Х-хромосому в нескольких местах. Любая сперма, содержащая Х-хромосому, будет нежизнеспособной (Champer et al., 2016). Гены, которые действуют таким образом, известны как гены X-шредера (Champer et al., 2016). Любое потомство мужчин, несущих гены X-шредера, также будет мужчиной. Если гены X-шредера расположены на аутосомных хромосомах, то есть вероятность, что потомство унаследует X-шредер. Если вместо этого ген X-шредера переносится по Y-хромосоме, то весь потомок этого самца будет нести этот ген (Champer et al., 2016). В популяциях, в которых распространены аллели X-шредера, будет наблюдаться резкое сокращение числа женского потомства. В конечном итоге население не сможет поддерживать себя, что приведет к успешному подавлению генного драйва. К сожалению, гены X-шредера не существуют для всех видов, генетики надеются создать рекомбинантные гены X-шредера, используя тот же метод, который был предложен для приводов на основе хоминга.
Последний предложенный метод генного драйва, обсуждаемый в этой статье, – это доминантная эмбриональная остановка (Медея). Медея встречается у самок вида во время оогенеза (Champer et al., 2016). Впервые он был идентифицирован у жуков. Материнское насекомое несет ген, который экспрессирует токсин во время оогенеза. Потомки, которые наследуют ген, также наследуют ген, который производит антидот на ранней зиготической стадии развития. Зиготы, которые не несут ген Медеи, не способны выработать антидот и погибают во время развития (Champer et al., 2016). Медея, несущая самок, выбирает для Медеи, несущей потомство. Предложенные генные двигатели с помощью Медеи направлены на использование этого процесса с рекомбинантной ДНК. Вставив нужный ген и создав уникальную комбинацию токсина и антидота с использованием технологии CRISPR / Cas9, генетики смогут быстро распространить ген по популяции.
Из всех перечисленных методов естественные процессы создали основу, которую генетики стремятся использовать. Логическим улучшением любого генного драйва является способность нацеливаться на любой ген, а также вставлять и желаемый ген в геном организма-мишени. Появление технологии CRISPR / Cas9 обещает сделать именно это.
CRISPR / Cas9 и генные диски
Кластерные регулярно повторяющиеся короткие палиндромные повторы (CRISPR) вместе с ассоциированным с CRISPR белком 9 (Cas 9) представляют собой эндонуклеазную систему, которая позволяет генетикам нацеливаться на любой желаемый ген с помощью специализированных направляющих РНК (Gilles & Averof, 2015). Эндонуклеаза – это белок, который расщепляет ДНК. CRISPR – это система, которую бактерии используют для борьбы с фагами. Бактерии способны интегрировать вирусную ДНК в собственный геном, после чего вирусная ДНК экспрессируется в форме или РНК и связывается с эндонуклеазой (Wade, 2015). Команда исследователей смогла модифицировать CRISPR, чтобы обеспечить нацеливание на любую последовательность ДНК.
CRISPR / Cas9 использует пользовательские направляющие РНК (gRNAs), которые могут нацеливаться на любую последовательность, какую пожелают. Привлекательность CRISPR заключается в простоте использования, низкой стоимости и потенциальных применениях (Gilles & Averof, 2015). В частности, что касается генного драйва, он позволяет настраивать таргетинг нежелательных генов. Кроме того, используя весь комплекс CRISPR / Cas9, генетики могут ввести любой ген в геном хозяина. Драйверы на основе хоминга могут быть созданы специально для очень специфических генов. CRISPR / Cas9 учитывает специфичность последовательности длиной до 20 нуклеотидов (Gilles & Averof, 2015). Предложенный метод привода затем будет способствовать распространению этого гена через популяцию за одно поколение. Рекомбинантные гены X-shredder и Medea будут работать одинаково, только с дополнительной специфичностью. Работа по выделению уникальных генов X-shredder и Medea больше не будет проблемой. С CRISPR / Cas9 гены X-шредера или Madea могут быть потенциально представлены любым видам. Создание родительского поколения, которое будет использоваться для начала генного драйва. Непроверенные генные приводы могут оказаться проблематичными. Как и в случае любой модификации геномов, потенциальные опасности генного влечения не остались незамеченными.
Опасности и меры предосторожности
Наибольший риск, связанный с генными драйвами, – это потенциальный ущерб, который может иметь диск в экосистеме. Генные влечения способны размножаться через популяцию всего за одно или два поколения (Wade, 2015). Опасность нецелевого эффекта может быть чрезвычайно глубокой. Существует внутренняя опасность ошибочного уничтожения популяции путем высвобождения генного драйва, несущего организм в область, которая не может с этим справиться (Wade, 2015). Другая проблема связана с возможностью непредвиденных последствий. Без тщательного рассмотрения того, на что может повлиять значительное сокращение популяции, биологи рискуют иметь дело с волновыми эффектами. Исключение ключевых видов из области может привести к появлению снежного кома в большей проблеме с животными, которые находятся выше в пищевой цепи (Wade, 2015). Другое возможное влияние генного влечения происходит от потенциальной мутации и передачи этого гена родственным видам или мутированной патогенности (Wade, 2015).
Чтобы противостоять потенциальной катастрофе, биологи придумали способы положить конец мошенническому генообразованию. Генные приводы классифицируются на основании возможности их удаления или реверса (Champer et al., 2016). «Резервный двигатель обращения» – это предостерегающая мера, которую биологи могут принять при разработке генного привода. Реверсивный двигатель – это вторичный генный двигатель, способный остановить распространение первичного генного двигателя (Champer et al., 2016). Еще одна мера предосторожности заключалась в разработке руководящих принципов, касающихся генного драйва, Национальной академией наук США (Champer et al., 2016).
Заключение
Основным направлением генного влечения был потенциал использования генного влечения в качестве механизма для устранения болезней и эпидемий. Одним из наиболее многообещающих применений генного драйва была попытка использовать генный драйв для ликвидации малярии у комаров. В 2015 году исследователи из Калифорнийского университета показали, что им удалось успешно внедрить антималярийные гены в вид комаров с помощью Cas9 (Gantz et al., 2015). Большим препятствием для генного драйва в настоящее время является разработка успешных протоколов. Хотя группа из Университета Калифорнии показала, что можно использовать Cas9 для создания антималярийных генных приводов, они сделали это с большим трудом. Как оказалось, Cas9 токсичен для комаров, поэтому группе пришлось разработать новые способы смягчения этого токсина для успешной вставки гена (Saey, 2015). Другой отмеченной проблемой была склонность к нецелевым сокращениям при использовании Cas9 и определенных рРНК (Saey, 2015). Реальность генного влечения только начинается, CRISPR / Cas9 превратила генный привод из простой концепции в последовательный процесс.
Использование редактирования и изменения генома для разработки и конструирования атрибутов будущих детей было поддержано и одобрено Советом по биоэтике Наффилда; В докладе говорится, что морально
РНК-интерференция (RNAi) – один из самых захватывающих и революционных новых подходов к терапии, который привлек значительное внимание в течение последних нескольких десятилетий. Было обнаружено, что
В современном мире влияние, которое наука может оказать на жизнь, как мы знаем, остается очень важным. Много исследований проводится в отношении риска вирусных инфекций среди