Цепная реакция распространения мутаций оказалась малоэффективной для млекопитающих

Разработчики технологии цепной реакции редактирования генома, проверенной на дрозофилах и комарах и более известной как «генный драйв» (gene drive), впервые опробовали этот метод на млекопитающих, а именно на лабораторных мышах. В пилотном эксперименте «автокопирование» генетической кассеты с CRISPR сработало только на самках и увеличило вероятность наследования признака с 50 процентов до 73. Таким образом, эффективность технологии применительно к млекопитающим оказалась гораздо ниже, чем у насекомых. Авторы работы пока не опубликовали ее в рецензируемом журнале, и представили данные в виде препринта на BioRxiv. Также о работе рассказывает редакционная заметка в Nature.

В 2015 году исследователи из университета Калифорнии в Сан-Диего разработали технологию, позволяющую при помощи системы CRISPR/Cas9 не просто ввести в геном нужную мутацию, но и обеспечить ее автоматическое распространение по всей популяции по принципу цепной реакции. Для этого в одну копию хромосомы достаточно ввести генетическую кассету, кодирующую нужную мутацию или вставку, и нуклеазу Cas9 с направляющей РНК, комплементарной тому самому локусу, куда исходно встраивается кассета.

После попадания в ядро Cas9 разрезает ДНК в нужном локусе. Теперь клетка должна починить образовавшийся разрыв, и она может сделать это путем встраивания кассеты, которая содержит участки гомологии к данному локусу (такое развитие событий называется репарацией по механизму гомологичной рекомбинации). Когда кассета с компонентами CRISPR-системы и нужной мутацией попадает на хромосому, цикл может повториться, и кассета встроится на гомологичную хромосому, а также может копироваться в тот же самый локус при передаче этой хромосомы потомству.

На дрозофилах исследователи показали, что благодаря автокопированию кассета быстро распространяется среди потомков, вытесняя «дикие» аллели. Таким способом можно внести в популяцию любую мутацию, в том числе вредную — естественный отбор не сможет ее отсеять. Эту идею авторы реализовали на комарах — при помощи своей технологии, которую назвали «генным драйвом» ученые сделали устойчивых к малярии комаров, а их коллеги вывели комаров с мутацией, снижающей фертильность самок.

На следующем этапе работы коллектив из университета Калифорнии с участием Валентино Ганца (Valentino Gantz) и Этана Бира (Ethan Bier) опробовал технологию на мышах. Исследователи пытались ввести генетический элемент, названный CopyCat, в ген тирозиназы (Tyr), мутации в котором нарушают формирование окраса и приводят к появлению альбиносов. CopyCat содержал направляющую РНК против гена Tyr и красный флуоресцентный белок. Cas9 при этом экспрессировался с другой кассеты.

Основное препятствие к применению «генного драйва» на млекопитающих — очень низкая эффективность репарации по механизму гомологичной рекомбинации. Двуцепочечные разрывы в клетках млекопитающих в основном залечиваются по механизму негомологичного соединения концов, который оставляет после себя небольшие делеции или вставки. Исследователи действительно обнаружили в первых экспериментах, что CRISPR эффективно вносит мутации в ген Tyr на гомологичной хромосоме, что приводит к появлению белого или мозаичного потомства, но сама кассета при этом не копируется.

Тогда ученые ограничили экспрессию Cas9 половыми клетками, чтобы увеличить эффективность репарации на стадии мейоза. Оказалось, что метод работает, если CRISPR экспрессируется в предшественниках ооцитов, но не сперматозоидов. Говоря упрощенно, ученые разработали способ получения гетерозиготных по нужному признаку самок, у которых благодаря «генному драйву» ген этого признака содержали бы не 50 процентов гамет, а 100 процентов. Тем не менее, в предшественниках яйцеклеток эффективность конверсии тоже оказалась не идеальна, и в итоге ученые подсчитали, что им удалось увеличить вероятность наследования кассеты до 73 процентов.

Технология «генного драйва» вызвала большой интерес биотехнологов и экологов, которые увидели в ней средство уничтожения инвазивных видов, в том числе млекопитающих. Этические комитеты заявили, что к «генному драйву» нужно относиться с осторожностью, так как распространение мутации невозможно остановить, и это может привести к непредсказуемым последствиям. Работа американских ученых показывает, что для применения на млекопитающих в качестве «биологического оружия» технология еще не разработана в достаточной степени, тем не менее, в лаборатории ее можно использовать для увеличения эффективности получения разнообразных генетических моделей.

Наше интервью с Андреа Крисанти — одним из пионеров технологии «генного драйва», направленной на геноцид малярийных комаров, можно прочитать здесь.

Дарья Спасская