Forscher haben ein auf CRISPR/Cas9 basierendes „Homing-Gene-Drive-System“ entwickelt, das zur Unterdrückung von Populationen der Essigfliegen Drosophila suzukii – sogenannten „Fleckflügeldrosseln“ – eingesetzt werden könnte, die weichschalige Früchte in Nordamerika, Europa und Teilen vernichten Südamerikas – laut einer neuen Studie der North Carolina State University.
Die Forscher des NC State entwickelten duale CRISPR-Genantriebssysteme, die auf ein bestimmtes D. suzukii-Gen namens Doublesex abzielten, das für die sexuelle Entwicklung der Fliegen wichtig ist. CRISPR steht für „Clustered Regular Interspaced Short Palindromic Repeats“ und Cas9 ist ein Enzym, das wie eine molekulare Schere DNA schneidet. CRISPR-Systeme leiten sich von bakteriellen Immunsystemen ab, die Viren und andere Eindringlinge erkennen und zerstören, und werden unter anderem als Lösung für Probleme in der Gesundheit von Mensch, Pflanze und Tier entwickelt.
Die gezielte Bekämpfung des Doublesex-Gens führte in zahlreichen Experimenten zu weiblicher Unfruchtbarkeit, da die Weibchen keine Eier legen konnten, sagt Max Scott, ein Entomologe des US-Bundesstaates North Carolina und korrespondierender Autor einer Arbeit in Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften das beschreibt die Forschung.
„Dies ist der erste sogenannte Homing-Gen-Drive bei einem landwirtschaftlichen Schädling, der möglicherweise zur Unterdrückung eingesetzt werden könnte“, sagte Scott.
Gene Drives können bestimmte Merkmale oder Eigenschaften gezielt auswählen, verändern oder löschen und diese Veränderungen über künftige Generationen hinweg „antreiben“, was zu einer manchmal weit über 50-prozentigen Wahrscheinlichkeit führt, dass diese Veränderungen an die Nachkommen weitergegeben werden.
„Gene Drive bedeutet voreingenommene Vererbung“, sagte Scott.
Forscher verwendeten ein fluoreszierendes rotes Protein, um das Vorhandensein der genetischen Veränderung CRISPR/Cas9 im genetischen Bauplan oder Genom der Fliege zu markieren. Die Gene-Drive-Systeme übertrugen dieses fluoreszierende Protein auf 94–99 % der Nachkommen, heißt es in der Studie.
Die Forscher nutzten außerdem mathematische Modelle, um vorherzusagen, wie effizient das Gene-Drive-System eine bestimmte D. suzukii-Population in Laborkäfigen unterdrücken würde. Die Modellierung zeigte, dass die Freisetzung von nur einer veränderten Fliege pro vier „wilde“ Fliegen – also solchen, die nicht gentechnisch verändert sind – die Fliegenpopulationen innerhalb von etwa acht bis zehn Generationen stillen könnte.
„Da Doublesex ein so konserviertes Gen ist, das bei so vielen Fliegenarten für die weibliche Entwicklung erforderlich ist, denke ich, dass die Homing-Gene-Drive-Strategie auch für andere Schädlinge genutzt werden könnte“, sagte Scott.
Scott und seine Mitarbeiter hatten zuvor Erfolge bei der Unterdrückung von D. suzukii-Populationen gezeigt, indem sie einen Stamm verwendeten, der nur Männchen hervorbringt, und eine ähnliche Methode auch zur Reduzierung der Laborpopulationen der Neuwelt-Schraubenwurmfliege eingesetzt haben.
Zu den nächsten Schritten gehören geschlossene Versuchsexperimente in Käfigen in einem Gewächshaus im US-Bundesstaat North Carolina.
„Wir führen Experimente zur Unterdrückung kleiner Käfigpopulationen durch. Wir hoffen zu erfahren, ob wiederholte Fliegenfreisetzungen im Verhältnis 1:4 die Fliegenpopulationen in einem Käfig unterdrücken, wie es die Modellierung nahelegt“, sagte Scott.
Amarish K. Yadav, ein Postdoktorand und Hauptautor des NC State, Cole Butler, Akihiko Yamamoto, Anandrao A. Patil und Alun L. Lloyd waren Co-Autoren des Artikels.
Mehr Informationen:
Yadav, Amarish K. et al., CRISPR/Cas9-basierter Split-Homing-Gene-Drive, der auf Doppelgeschlechtlichkeit abzielt, um die Population des globalen Obstschädlings Drosophila suzukii zu unterdrücken, Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften (2023). DOI: 10.1073/pnas.2301525120. doi.org/10.1073/pnas.2301525120