scitechdaily.com - 7spymania.com
Δύο ενεργές στρατηγικές γενετικής συμβάλλουν στην αντιμετώπιση ανησυχιών σχετικά με την απελευθέρωση γονιδιακής κίνησης στο φυσικό περιβάλλον.
Την τελευταία δεκαετία, οι ερευνητές έχουν δημιουργήσει μια σειρά από νέα εργαλεία που ελέγχουν την ισορροπία της γενετικής κληρονομιάς. Με βάση την τεχνολογία CRISPR, τέτοιες γονιδιακές κινήσεις είναι έτοιμες να μετακινηθούν από το εργαστήριο στην άγρια φύση, όπου κατασκευάζονται
για να καταστέλλουν καταστροφικές ασθένειες όπως η ελονοσία που προκαλείται από τα κουνούπια, ο δάγκειος πυρετός, το Zika, το chikungunya, ο κίτρινος πυρετός και ο Δυτικός Νείλος. Οι γονιδιακές κινήσεις έχουν τη δύναμη να ανοσοποιούν τα κουνούπια έναντι παρασίτων της ελονοσίας ή να ενεργούν ως γενετικά εντομοκτόνα που μειώνουν τους πληθυσμούς των κουνουπιών.Παρόλο που οι νεότερες γονιδιακές μονάδες έχουν αποδειχθεί ότι εξαπλώνονται αποτελεσματικά όπως έχουν σχεδιαστεί σε εργαστηριακές ρυθμίσεις, έχουν προβληθεί ανησυχίες σχετικά με την ασφάλεια της απελευθέρωσης τέτοιων συστημάτων σε άγριους πληθυσμούς. Έχουν προκύψει ερωτήσεις σχετικά με την προβλεψιμότητα και τη δυνατότητα ελέγχου των γονιδιακών οδηγών και εάν, αφού αφεθούν ελεύθερα, μπορούν να ανακληθούν στο πεδίο εάν εξαπλωθούν πέρα από την προβλεπόμενη περιοχή εφαρμογής τους.
Τώρα, οι επιστήμονες στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας Σαν Ντιέγκο και οι συνεργάτες τους έχουν αναπτύξει δύο νέα ενεργά γενετικά συστήματα που αντιμετωπίζουν τέτοιους κινδύνους σταματώντας ή εξαλείφοντας τις γονιδιακές κινήσεις στην άγρια φύση. Στις 18 Σεπτεμβρίου 2020 στο περιοδικό Molecular Cell, η έρευνα με επικεφαλής τον Xiang-Ru Xu, την Emily Bulger και τον Valentino Gantz στο Τμήμα Βιολογικών Επιστημών προσφέρει δύο νέες λύσεις βασισμένες σε στοιχεία που αναπτύχθηκαν στην κοινή μύγα φρούτων.
«Ένας τρόπος για τον μετριασμό των αντιληπτών κινδύνων των γονιδιακών οδηγιών είναι να αναπτύξουμε προσεγγίσεις για να σταματήσουμε την εξάπλωσή τους ή να τις διαγράψουμε εάν είναι απαραίτητο», δήλωσε ο Διακεκριμένος Καθηγητής Ethan Bier, ανώτερος συγγραφέας της εφημερίδας και επιστημονικός διευθυντής του Ινστιτούτου Γενετικής και Κοινωνίας Tata. «Υπάρχει μεγάλη ανησυχία ότι υπάρχουν τόσα πολλά άγνωστα που σχετίζονται με τις γονιδιακές κινήσεις. Τώρα έχουμε κορεστεί οι δυνατότητες, τόσο σε γενετικό όσο και σε μοριακό επίπεδο, και έχουμε αναπτύξει μετριαστικά στοιχεία.
Το πρώτο σύστημα εξουδετέρωσης, που ονομάζεται e-CHACR (erasing Constructs Hitchhiking on the Autocatalytic Chain Reaction) έχει σχεδιαστεί για να σταματήσει την εξάπλωση ενός γονιδιακού δίσκου «πυροβολώντας το με το δικό του όπλο». Τα e-CHACR χρησιμοποιούν το CRISPR ένζυμο Cas9 που μεταφέρεται σε μια μονάδα γονιδίων για να αντιγραφεί, ενώ ταυτόχρονα μεταλλάσσεται και απενεργοποιείται το γονίδιο Cas9. Ο Xu λέει ότι ένα e-CHACR μπορεί να τοποθετηθεί οπουδήποτε στο γονιδίωμα.
«Χωρίς πηγή Cas9, κληρονομείται όπως οποιοδήποτε άλλο φυσιολογικό γονίδιο», δήλωσε ο Xu. "Ωστόσο, όταν ένα e-CHACR αντιμετωπίζει μια κίνηση γονιδίων, απενεργοποιεί τη μονάδα γονιδίων στα ίχνη της και συνεχίζει να εξαπλώνεται σε πολλές γενιές" κυνηγώντας "το στοιχείο κίνησης έως ότου η λειτουργία του χαθεί από τον πληθυσμό."
Το δεύτερο σύστημα εξουδετέρωσης, που ονομάζεται ERACR (Element Reversing the Autocatalytic Chain Reaction), έχει σχεδιαστεί για την πλήρη εξάλειψη της γονιδιακής κίνησης. Τα ERACR έχουν σχεδιαστεί για να εισάγονται στη θέση της μονάδας γονιδίων, όπου χρησιμοποιούν το Cas9 από τη μονάδα γονιδίων για να επιτεθούν σε κάθε πλευρά του Cas9, κόβοντάς το. Μόλις διαγραφεί η μονάδα γονιδίων, το ERACR αντιγράφεται και αντικαθιστά τη μονάδα γονιδίων.
"Εάν το ERACR έχει επίσης ένα πλεονέκτημα μεταφέροντας ένα λειτουργικό αντίγραφο ενός γονιδίου που διαταράσσεται από τη μονάδα γονιδίων, τότε αγωνίζεται κατά μήκος της γραμμής τερματισμού, εξαλείφοντας εντελώς τη μονάδα γονιδίων με αδιάκοπη επίλυση", δήλωσε ο Bier.
Οι ερευνητές δοκίμασαν αυστηρά και ανέλυσαν τα e-CHACRs και τα ERACR, καθώς και τις προκύπτουσες αλληλουχίες DNA, με σχολαστική λεπτομέρεια σε μοριακό επίπεδο. Ο Bier εκτιμά ότι η ερευνητική ομάδα, η οποία περιλαμβάνει μαθηματικούς μοντελιστές από το UC Berkeley, πέρασε περίπου 15 χρόνια προσπάθειας για την ολοκληρωμένη ανάπτυξη και ανάλυση των νέων συστημάτων. Ωστόσο, προειδοποιεί ότι υπάρχουν απρόβλεπτα σενάρια που θα μπορούσαν να προκύψουν και τα συστήματα εξουδετέρωσης δεν πρέπει να χρησιμοποιούνται με ψευδή αίσθηση ασφάλειας για κινήσεις γονιδίων που εφαρμόζονται στο πεδίο.
«Τέτοια στοιχεία πέδησης θα πρέπει απλώς να αναπτυχθούν και να διατηρηθούν σε εφεδρεία σε περίπτωση που είναι απαραίτητα, καθώς δεν είναι γνωστό εάν ορισμένες από τις σπάνιες εξαιρετικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ αυτών των στοιχείων και των γονιδιακών κινήσεων που έχουν σχεδιαστεί για να συγκεντρώσουν μπορεί να έχουν ακούσιες δραστηριότητες», είπε.
Σύμφωνα με τον Bulger, οι κινήσεις γονιδίων έχουν τεράστιες δυνατότητες ανακούφισης των ταλαιπωριών, αλλά η υπεύθυνη ανάπτυξή τους εξαρτάται από την ύπαρξη μηχανισμών ελέγχου σε περίπτωση απρόβλεπτων συνεπειών. Τα ERACR και eCHACR προσφέρουν τρόπους για να σταματήσει η εξάπλωση της γονιδιακής κίνησης και, στην περίπτωση του ERACR, μπορεί δυνητικά να επαναφέρει μια κατασκευασμένη ακολουθία DNA σε μια κατάσταση πολύ πιο κοντά στη φυσική ακολουθία.
«Επειδή τα ERACR και τα e-CHACR δεν διαθέτουν τη δική τους πηγή Cas9, θα εξαπλωθούν μόνο στο ίδιο το γονίδιο και δεν θα επεξεργαστούν τον πληθυσμό άγριου τύπου», δήλωσε ο Bulger. «Αυτές οι τεχνολογίες δεν είναι τέλειες, αλλά τώρα έχουμε μια πολύ πιο περιεκτική κατανόηση του γιατί και του πώς τα ακούσια αποτελέσματα επηρεάζουν τη λειτουργία τους και πιστεύουμε ότι έχουν τη δυνατότητα να είναι ισχυροί μηχανισμοί ελέγχου γονιδιακής κίνησης σε περίπτωση ανάγκης».
Παραπομπή: «Ενεργά στοιχεία γενετικής εξουδετέρωσης για διακοπή ή διαγραφή γονιδίων» από τους Xiang-Ru Shannon Xu, Emily Bulger, Valentino Gantz, Carissa Klanseck, Stephanie Heimler, Ankush Auradkar, Jared Bennett, Lauren Ashley Miller, Sarah Leahy, Sara Sanz Juste, Anna Buchman, Omar Akbari, John M. Marshall και Ethan Bier, 18 Σεπτεμβρίου 2020, Molecular Cell.
DOI: 10.1016 / j.molcel.2020.09.003
Η υποστήριξη για την έρευνα περιελάμβανε: Τα Εθνικά Ινστιτούτα Υγείας (R01 GM117321; DP5OD023098); βραβείο διακεκριμένου ερευνητή του Paul G. Allen Frontiers Πρόγραμμα Safe Genes του DARPA (HR0011-17-2-0047) και ένα δώρο από την Tata Trusts στην Ινδία στο TIGS-UC San Diego.
Η Bier και η Gantz δηλώνουν τόκους μετοχικού κεφαλαίου και υπηρετούν στο διοικητικό συμβούλιο και το επιστημονικό συμβουλευτικό συμβούλιο της Synbal Inc. Οι Bier, Gantz και Akbari δηλώνουν τόκους μετοχών και υπηρετούν στο επιστημονικό συμβουλευτικό συμβούλιο της Agragene Inc. Η Akbari λαμβάνει επίσης έσοδα από την Agragene. Αυτές οι εταιρείες ενδέχεται να επωφεληθούν από τα αποτελέσματα της έρευνας.