Natura powstrzyma reakcję łańcuchową

Pod koniec zeszłego roku, gdy notki na tym blogu zdarzały się minimalnie częściej niż obecnie, popełniłem wpis wyjaśniający na czym polega mutageniczna reakcja łańcuchowa – fenomen umożliwiający szybkie i efektywne wprowadzenie do populacji pożądanej mutacji. A także w jaki sposób fenomen ten można uskutecznić za pomocą techniki redagowania genomu CRISPR/Cas. (Jeśli nie czytaliście, to polecam – jest do bardzo dobry wstęp do obecnego tekstu.)

Opisywałem wówczas dotychczasowe badania pokazujące działanie tej reakcji w populacjach m.in. drozofili i różnych gatunków komarów. To, nad czym skupiłem się wówczas mniej – bo głównym problemem, na który chciałem zwrócić uwagę, były konsekwencje natury etycznej – było to, jak realistyczne jest zastosowanie tego narzędzia w populacji dzikiej.

Jedna ze wspomnianych przeze mnie uprzednio publikacji, praca której autorem jest m.in. Burt (ojciec konceptu mutagenicznej reakcji łańcuchowej jako narzędzia biotechnologicznego), pokazała, że chociaż wprowadzenie pożądanej mutacji do populacji komarów jest możliwe i pomimo tego, że przynajmniej w ciągu kilku pierwszych pokoleń mutacja w populacji rozprzestrzenia się szybko i szeroko, to po pewnym czasie osobniki w tej populacji zaczynają wykazywać oporność [1] na tę planowaną mutagenezę. To znaczy, że pomimo wszechobecności wprowadzonej mutacji, pojawiać zaczynają się osobniki, które jej nie posiadają.

Przyczyn tej oporności na mutageniczną reakcję łańcuchową może być wiele. Najbardziej oczywiste mają swoje zródło w samej zastosowanej technice.

Do wprowadzenia mutacji do organizmu wykorzystywany jest enzym Cas9 oraz naprowadzająca sekwencja CRISPR, która odpowiada ściśle określonej sekwencji w genomie (w tym przypadku) komara. I tu pojawia się problem. O ile bowiem populacje zwierząt laboratoryjnych są zazwyczaj bardzo jednorodne genetycznie – to znaczy, że na przykład wszystkie osobniki mają tę samą wersję genu, która jest rozpoznawana przez CRISPR – o tyle populacje dzikie wręcz przeciwnie.

Różnorodność genetyczna jest jedną z najbardziej elementarnych charakterystyk, które zapewniają gatunkom przetrwanie (z wyjątkami, ale reguła ta działa dla większości organizmów wyższych). Jeśli jednak w populacji istnieje kilka wariantów sekwencji rozpoznawanej przez CRISPR, oznacza to, że wszystkie te osobniki, które mają wariant nie do końca komplementarny z sekwencją naprowadzającą, będą na mutageniczną reakcję łańcuchową oporne.

Inną możliwością jest też nie końca wierne działanie systemu CRISPR/Cas w mutagenicznej reakcji łańcuchowej. System działa tnąc określone miejsce w genomie i wprowadzając w miejsce cięcia nową sekwencję. Jeśli jednak z jakiejś przyczyny komórkowy system naprawczy sklei miejsce cięcia zanim wprowadzony zostanie tam nowy element albo naprawiając zmieni oryginalną sekwencję (na przykład usuwając kilka nukleotydów), wówczas system nie zadziała w tym miejscu ponownie i reakcja w tej komórce zostania zahamowana. Jeśli komórka jest komórką linii zarodkowej, to u potomstwa mutacja nie pojawi się w ogóle.

Chociaż zatem wszystkie ostrzeżenia wyłuszczone w poprzedniej notce wciąż są istotne, jakimś pocieszeniem powinno być to, że najwyraźniej natura tak łatwo się nie da (pocieszeniem albo nie – w końcu mutageniczna reakcja łańcuchowa miała być zbawieniem w walce z malarią).

To wszystko jednak tylko teoria. Do tej pory bowiem mutageniczną reakcję łańcuchową zademonstrowano tylko w populacjach laboratoryjnych u ograniczonej liczby gatunków. Znacznie bardziej przekonujących argumentów dostarczyło niedawno pismo Science Advances, które opublikowało pracę grupy badaczy z Uniwersytetu Indiany, którzy zastosowali CRISPR/Cas, aby wywołać mutageniczną reakcję łańcuchową w populacji trojszyka gryzącego (Tribolium castaneum) – chrząszcza, który jest rolniczym szkodnikiem, ale też pierwszym gatunkiem z tego olbrzymiego rzędu organizmów [2], którego genom został opisany. Czyni to z trojszyka model dla tej grupy zwierząt; oznacza też, że można u niego próbować stosować mutageniczną reakcję łańcuchową (oczywiście aby zaprojektować sekwencję naprowadzającą CRISPR, musimy bowiem w pierwszej kolejności wiedzieć, jaka jest sekwencja genomu danego organizmu).

Badacze zbadali chrząszcze pochodzące z czterech geograficznie odrębnych populacji trojszyka z Indii, Hiszpanii, Peru oraz Stanów Zjednoczonych. Przyjrzeli się sekwencjom trzech genów, będących dobrymi kandydatami do mutagenicznej reakcji łańcuchowej (geny te zostały zidentyfikowane we wcześniejszych badaniach na muszkach owocówkach oraz komarach). Najlepszym kandydatem byłby gen posiadający sekwencję, którą można wziąć na celownik, a która jest jednorodna i wyzbyta mutacji. Naukowcy znaleźli taką sekwencję w populacji indyjskiej – ta jednak jest, jak to określili, reprodukcyjnie niekompatybilna z pozostałymi populacjami. Co oznacza, że mutageniczna reakcja łańcuchowa nie rozprzestrzeniłaby się poza tę populację.

Końcowe wyniki analizy i modelowania różnego rodzaju mutacji hamujących mutageniczną reakcję łańcuchową pokazały, że wariacja genetyczna w danej populacji byłaby dużą – zgodnie z oczekiwaniami – przeszkodą w przeprowadzeniu takiego doświadczenia czy też użyciu tej reakcji w celu modyfikacji dzikiej populacji. Rozwój narzędzi do redagowania genomu pomoże te problemy pokonać przynajmniej w pewnym stopniu (np. poprzez zastosowanie innego enzymu niż Cas9). Ale podstawowy problem – to że populacje dzikie nie są wystarczająco wsobne, aby zapewnić wystarczający poziom genetycznej jednorodności – pozostaje bez zmian.

Tak więc na skuteczne wytrzebienie malarii, czy innych przenoszonych przez owady chorób, będziemy jednak musieli jeszcze trochę poczekać.

Przypisy:

1. Liberalnie stosowałem w tekście termin oporność (zamiast odporności). Prawda jest taka, że nie wiem, który jest bardziej adekwatny.

2. Biolog JBS Haldane miała ponoć kiedyś powiedzieć, że Twórca umiłował sobie chrząszcze, stworzył ich bowiem 400 tysięcy gatunków.

Reklamy

Skomentuj

Wprowadź swoje dane lub kliknij jedną z tych ikon, aby się zalogować:

Logo WordPress.com

Komentujesz korzystając z konta WordPress.com. Wyloguj / Zmień )

Zdjęcie z Twittera

Komentujesz korzystając z konta Twitter. Wyloguj / Zmień )

Zdjęcie na Facebooku

Komentujesz korzystając z konta Facebook. Wyloguj / Zmień )

Zdjęcie na Google+

Komentujesz korzystając z konta Google+. Wyloguj / Zmień )

Connecting to %s