Их достижение было опубликовано в предварительной онлайн-статье в журнале Science. Это было выполнено двумя биологами из Калифорнийского университета в Сан-Диего, работающими над плодовой мушкой Drosophila melanogaster, которые применили новую геномную технологию, чтобы изменить способ распространения мутаций в популяции — концепция, давно устоявшаяся для растений отцом современной генетики Грегором Менделем.«Мендель провел классические генетические эксперименты с горохом, которые выявили основы наследования у многих организмов, включая человека», — объясняет Итан Бир, профессор биологии Калифорнийского университета в Сан-Диего, чей аспирант Валентино Ганц разработал метод. «В соответствии с этими простыми правилами наследования оплодотворенная яйцеклетка получает одну копию большинства генов от наших матерей и одну от наших отцов, так что в результате получается по две копии каждого гена».Одним из преимуществ наличия двух копий гена является то, что если одна копия несет нефункциональную мутацию, то другая «хорошая» копия обычно может обеспечивать достаточную активность для поддержания нормальной функции.
Таким образом, большинство мутаций, приводящих к потере функции гена, известны как рецессивные, что означает, что организм должен унаследовать две мутантные копии гена от своих родителей, прежде чем будет обнаружен явный дефект, как в случае людей с мышечной дистрофией, кистозным фиброзом или Болезнь Тея Сакса.«Поскольку люди, несущие одну мутантную копию гена, часто спариваются с человеком с двумя нормальными копиями гена, дефекты могут быть скрыты для поколения, а затем обнаружены у внуков», — добавляет Бир. «Вот как генетика понималась на протяжении более века у различных организмов, включая людей, большинство животных, с которыми мы знакомы, и многие растения».Но за последние два года Бир и другие молекулярные биологи стали свидетелями настоящей революции в манипуляциях с геномами. «Сейчас стало обычным делом произвольно генерировать практически любые изменения в геноме выбранного организма», — отмечает он. «Технология основана на механизме бактериальной противовирусной защиты, известном как система Cas9 / CRISPR».
Используя эту разработку в своих экспериментах с лабораторными плодовыми мушками, Ганц и Бир продемонстрировали, что, располагая стандартные компоненты этой системы противовирусной защиты в новой конфигурации, мутация, генерируемая на одной копии хромосомы у плодовых мух, автоматически распространяется на все клетки. другая хромосома. Конечным результатом, по словам Бир, является то, что обе копии гена могут быть инактивированы «одним выстрелом».
Два биолога называют свой новый генетический метод «мутагенной цепной реакцией» или MCR.
«MCR замечательно активен во всех клетках тела, и один результат заключается в том, что такие мутации передаются потомству через зародышевую линию с 95-процентной эффективностью», — говорит Ганц, первый автор статьи. «Таким образом, почти все гаметы индивидуума MCR несут мутацию, в отличие от типичного мутантного носителя, у которого только половина репродуктивных клеток является мутантной».Бир говорит, что «MCR имеет несколько серьезных последствий. Во-первых, способность мутировать обе копии гена в одном поколении должна значительно ускорить генетические исследования у разных видов. обычно занимает много времени, потому что для этого требуется два поколения, и требует участия, поскольку требует генетического тестирования для выявления редкого потомства, несущего обе мутации.
Теперь нужно просто иметь возможность скрещивать между собой особей, несущих два разных мутанта MCR, и все их прямое потомство должно быть мутантом по обоим генам ".«MCR также должен быть высокоэффективным для распространения генетических элементов в популяциях для борьбы с болезнями, переносимыми насекомыми, такими как малярия, денге и чикунгунья, а также с вредителями животных и растений», — добавляет он. "Например, в случае малярии несколько групп создали генетические кассеты, которые при попадании в организм комаров предотвращают распространение малярийного паразита, тем самым блокируя инфекцию. Однако главной проблемой в этой области является разработка способа распространения этих генных кассет. в популяциях комаров.
MCR предлагает очевидное решение этой проблемы, поскольку включение кассеты противомалярийных генов в элемент MCR должно привести к быстрому распространению кассеты генов по целевой популяции. Например, если изначально носила кассету, кассета должна распространиться практически на всех людей всего за 10 поколений, что для комаров меньше одного сезона ».
Также возможно использование MCR для распространения генов среди клеток внутри человека с использованием модифицированных вирусов для переноса генетических элементов, отмечает Ганц. "Поскольку MCR работает путем нацеливания на определенные последовательности ДНК, в случаях, когда больные клетки изменили ДНК, как у ВИЧ-инфицированных людей или некоторых типов рака, методы на основе MCR должны иметь возможность отличать больные от здоровых клеток, а затем использоваться для выборочного либо разрушить или изменить больные клетки ».Два биолога отмечают в своей статье, что, хотя применение MCR предлагает потенциальные решения важных проблем в области здоровья и благополучия человека, оно также может представлять серьезный потенциальный риск в чужих руках.«Может ли случайное высвобождение микроорганизмов, несущих MCR, в окружающую среду, привести к их распространению потенциально опасной мутации среди подавляющего большинства людей в дикой популяции?» — говорит Бир. «Мы не знаем и будем выступать за то, чтобы ученые изучили эту возможность, прежде чем разрешать эксперименты с использованием нового метода в открытых лабораториях. Также возможно, что технология MCR может быть намеренно использована неправильно, что следует рассматривать как риск наравне с что связано с гнусным использованием избранных агентов ".
Ганц и Бир показали в своих экспериментах, которые проводились в лаборатории биобезопасности с высоким уровнем сдерживания, чтобы предотвратить случайное высвобождение любых вредоносных мутантных генотипов, что распространение мутации MCR у мух является чрезвычайно эффективным с высокой степенью конверсии генов. около 95 процентов.Как следствие, два исследователя говорят, что строгие протоколы безопасности при работе с микроорганизмами MCR и быстрое установление нормативных руководств для проведения экспериментов с такими организмами являются обязательными. «Разработка методов обращения вспять спреда MCR также предоставит средства для снижения риска», — говорит Ганц.Бир согласен с другими, которые выразили серьезную озабоченность по поводу стратегий распространения генетических элементов в популяциях вредителей, что ученым необходимо сделать еще один шаг. «По аналогии со знаменитой конференцией Asilomar, проводившейся для решения проблем, возникших на заре технологии рекомбинантной ДНК в 1970-х, — говорит он, — возможно, следует созвать аналогичную встречу, чтобы обсудить, как технология MCR должна регулироваться как на федеральном уровне, так и на федеральном уровне. институциональные уровни, чтобы гарантировать безопасное применение для достижения полного потенциала улучшения условий жизни людей ".