Thomas Dalton
0 
4146
629
Een gene drive is een soort genetische manipulatietechniek die genen wijzigt zodat ze niet de typische erfelijkheidsregels volgen. Gen-drives vergroten de kans dat een bepaalde reeks genen wordt doorgegeven aan de volgende generatie drastisch, waardoor de genen zich snel door een populatie kunnen verspreiden en natuurlijke selectie teniet kunnen doen. Dankzij CRISPR-Cas9, de technologie voor het bewerken van genen die wordt gebruikt door bacteriën, worden gene drives voor onderzoekers gemakkelijker te bouwen.
Met gene drive-technologie "kun je het evolutietraject wijzigen. Je kunt uitsterven veroorzaken", zegt Andrea Crisanti, een geneticus aan het Imperial College London. Dit zou een effectieve manier kunnen zijn om overlastgevende soorten, zoals malaria-veroorzakende muggen, uit te roeien. Maar wetenschappers werken nog steeds aan het bepalen van de potentiële bredere ecologische en milieueffecten van het gebruik van gene drives om een hele soort te elimineren.
Hoe werken gene drives?
Een gene drive bestaat uit drie hoofdcomponenten: het gen dat u wilt verspreiden; het Cas9-enzym dat DNA kan knippen; en CRISPR, een prommabele DNA-sequentie die identificeert waar het enzym moet knippen. Het genetische materiaal dat codeert voor die drie elementen, wordt in het DNA van een dier ingebracht, in plaats van het natuurlijk voorkomende gen dat je in beide chromosomen wilt vervangen.
De kracht van de gene drive is dat het de wetten van erfelijkheid verstoort, zei Crisanti. Bij normale erfelijkheid is er een kans van 50% dat een bepaald gen wordt overgedragen van ouder op nageslacht. Gene drive-technologie maakt van een kans van 50% een garantie van bijna 100%.
Wanneer een dier dat het gene drive-pakket draagt, paren met een dier dat dat niet doet, krijgen hun nakomelingen één kopie van het DNA van beide ouders: een natuurlijke versie en een gene drive-versie. Wanneer het sperma het ei ontmoet en de chromosomen van de verschillende ouders voor het eerst op een rij komen, wordt CRISPR in het gene drive-DNA geactiveerd. Het herkent de kopie van het natuurlijke gen in het tegenoverliggende chromosoom en geeft het DNA-snijdende Cas9-enzym de opdracht om de natuurlijke kopie uit te snijden voordat de embryonale ontwikkeling begint..
Verwant: Prokaryote versus eukaryote cellen: wat is het verschil?
Zodra het natuurlijke gen is beschadigd, wordt de speciale reparatiemachine van de cel geactiveerd. De reparatiemachine herstelt het ontbrekende DNA, maar gebruikt het ongebroken chromosoom, dat de gene drive draagt, als sjabloon. Dus als de reparatie is voltooid, dragen beide chromosomen een kopie van de gene drive. Vanaf dat moment bevinden zich in elke cel twee exemplaren van de gene drive en geeft het dier de gene drive door aan de volgende generatie.
En zo gaat het proces verder. Elke keer dat de drive wordt doorgegeven, breekt CRISPR de natuurlijke versie van het gen af, komt het celherstelmechanisme tussenbeide en wordt één kopie van de gene drive twee. In slechts een paar generaties wordt het nieuwe gen alomtegenwoordig in de populatie, waarbij het soms het natuurlijk voorkomende gen volledig vervangt.
Gene-drive muggen
In 2018 publiceerden Crisanti en zijn collega's een studie in het tijdschrift Nature Biotechnology waarin werd beschreven hoe gene drive-technologie de bevolking zou kunnen laten instorten. Anopheles gambiae, de muggensoort die malaria veroorzaakt. De groep bouwde een gene drive die een geslachtsgerelateerd gen zou veranderen en de vruchtbaarheid van vrouwen zou verstoren. De gene drive met het beschadigde gen voor vrouwelijke vruchtbaarheid verspreidde zich in slechts zeven generaties door 100% van de testpopulatie. De soort kon niet paren en de populatie stortte in. Sommige onderzoekers denken dat dit de aanpak is die uiteindelijk malaria uitroeit - een brute ziekte die verantwoordelijk is voor het veroorzaken van 280 miljoen ziekten en 405.000 sterfgevallen wereldwijd in 2018, volgens de Wereldgezondheidsorganisatie..
Verwant: 10 geweldige dingen die wetenschappers zojuist hebben gedaan met CRISPR
De gene drive-benadering is een unieke betaalbare en duurzame manier om malaria-veroorzakende muggen uit te roeien, zei Cristanti. Andere benaderingen, zoals insecticiden en milieubeheer, zijn effectief maar extreem duur, en gaan de economische mogelijkheden van veel landen ver te boven, zei hij. "Gene drive maakt de verspreiding van een genetische eigenschap in een populatie van een paar individuen mogelijk, waarbij het probleem van duurzaamheid bij de wortel wordt aangepakt."
Maar het uitroeien van een hele soort is een groot probleem, en het implementeren van een gene drive in de natuur is geen gemakkelijke beslissing.
Zijn gene drives gevaarlijk?
Wetenschappers werken eraan om te voorspellen wat het elimineren van een hinderlijke soort kan betekenen voor de rest van het ecosysteem.
Het uitroeien van malaria-veroorzakende muggen met behulp van een gene drive lijkt waarschijnlijk een plan met een minimale impact. "Tot dusver hebben ecologische tests aangetoond dat het ecosysteem niet instort", wanneer één soort mug wordt geëlimineerd, zei Fred Gould, een evolutiebioloog aan de North Carolina State University..
De ecologische effecten van andere gene drive-projecten zijn uitdagender om te onderscheiden. Natuurbeschermers en genetici werken bijvoorbeeld aan een gene drive die invasieve knaagdieren op eilanden zou kunnen elimineren - een nobele inspanning, aangezien invasieve knaagdieren op eilanden in verband zijn gebracht met het uitsterven van 75 inheemse soorten, aldus een studie gepubliceerd in het tijdschrift Proceedings van 2016. de National Academy of Science.
Maar het uitroeien van knaagdieren met een gene drive brengt potentieel grotere ecologische risico's met zich mee dan het uitroeien van een mug. Als knaagdieren met gene drive ooit het eiland zouden ontvluchten en terug zouden keren naar de natuurlijke habitat van de knaagdieren, zoals Noord-Amerika, zou de drive muizen en ratten kunnen elimineren waar ze een cruciaal onderdeel van het ecosysteem vormen. De afwezigheid van de knaagdieren kan leiden tot ineenstorting van het ecosysteem.
Verwant: Dit is wat we weten over CRISPR-veiligheid
Om die reden hebben Gould en zijn collega's gewerkt aan een strategie die alleen gericht zou zijn op muizen die op eilanden leven. Geografisch verschillende populaties dragen vaak dezelfde variant van een gen of allel, specifiek voor hun lokale populatie. Als wetenschappers een allel kunnen identificeren dat specifiek is voor de populatie die ze willen uitroeien, dan kunnen ze een gene drive creëren die specifiek is voor die populatie. De drive verspreidde zich alleen naar individuen die dat specifieke allel droegen; het zou niet werken bij individuen zonder dat specifieke allel. De onderzoekers beschreven deze methode in een studie uit 2019, gepubliceerd in het tijdschrift Scientific Reports.
Daarnaast bestuderen verschillende wetenschappers mogelijke saneringsplannen, of strategieën om bij ongewenste resultaten de gene drive uit de omgeving te halen. Zo publiceerden Crisanti en zijn collega's in 2017 een studie in het tijdschrift Plos Genetics waarin hij beschrijft hoe genetische mutaties die resistent zijn tegen de gene drive, kunnen blijven bestaan en de gene drive in slechts enkele generaties kunnen elimineren. De gene drive-resistente mutatie zou moeten worden vermeden om de gene drive te laten voortduren, of het zou een manier kunnen zijn om een ongewenste gene drive te elimineren.
Hoewel het concept van het gebruik van een gene drive om de menselijke gezondheid te beschermen en het ecologische evenwicht te herstellen veelbelovend is, heeft onderzoek naar de implicaties en effectiviteit van de tool nog een lange weg te gaan..
Aanvullende bronnen:
- Blijf op de hoogte van het laatste nieuws over CRISPR op de CRISPR News-pagina van.
- Bekijk deze korte video die beschrijft hoe een gene drive werkt van het Wyss Institute aan de Harvard University.
- Hier is nog een korte video die mogelijke manieren beschrijft om een gene drive te beschermen, ook van het Wyss Institute aan de Harvard University.