Forscher schaffen neues System für sicherere Gene-Drive-Tests und -Entwicklung

Wissenschaftler erweitern die technologischen Grenzen von CRISPR zusammen mit seinem enormen Potenzial in Bereichen, die von der menschlichen Gesundheit bis zur globalen Nahrungsmittelversorgung reichen. Dies ist der Fall bei CRISPR-basierten Gene Drives, einem Werkzeug zur genetischen Bearbeitung, das darauf abzielt, die Weitergabe genetischer Elemente von einer Generation zur nächsten zu beeinflussen.

Gene Drives, die für Moskitos entwickelt wurden, haben das Potenzial, die Ausbreitung von Malariainfektionen einzudämmen, die jedes Jahr Hunderttausende von Todesfällen verursachen, doch wurden Sicherheitsprobleme aufgeworfen, da sich solche Drives schnell ausbreiten und ganze Populationen dominieren können. Wissenschaftler haben die Prinzipien untersucht, die die Ausbreitung von Gene-Drive-Elementen in Zielpopulationen wie Mücken steuern, indem sie viele verschiedene Kombinationen von Komponenten getestet haben, die den Antriebsapparat bilden. Sie haben jedoch festgestellt, dass es noch mehr zu erforschen gibt und dass Schlüsselfragen offen bleiben.

Im Tagebuch Naturkommunikationbeschreiben Forscher der University of California San Diego unter der Leitung des ehemaligen Postdoktoranden Gerard Terradas zusammen mit dem Postdoktoranden Zhiqian Li und Professor Ethan Bier in enger Zusammenarbeit mit dem Doktoranden Jared Bennett von der UC Berkeley und dem außerordentlichen Professor John Marshall die Entwicklung eines neuen Systems für Testen und Entwickeln von Gene Drives im Labor und sicheres Umwandeln in Werkzeuge für potenzielle Anwendungen in der realen Welt.

„Diese Studien […] ermöglichen die Entwicklung neuer Gene-Drive-Systeme und liefern gleichzeitig wichtige Informationen zur Bewertung und Analyse der wichtigsten Wechselwirkungen zwischen ihren wichtigsten beweglichen Teilen“, sagte Bier, Fakultätsmitglied an der School of Biological Sciences, Department of Cell and Developmental Biology.

CRISPR-basierte Gene Drives verfügen über ein Protein namens Cas9-Endonuklease und ein Leit-RNA-Molekül, die ihre Kräfte bündeln, um DNA-Schnitte an bestimmte Stellen im Genom zu lenken, an denen neue genetische Elemente eingefügt werden können. Während die DNA diese Schnitte repariert, werden die neuen genetischen Elemente von einem Chromosom zum anderen kopiert, was zu Nachkommen führt, die die standardmäßige 50-50-prozentige Vererbung überschreiten und stattdessen die neu eingefügten genetischen Elemente bevorzugen.

Gene Drives gibt es in zwei „Geschmacksrichtungen“. Vollständige Gene Drives (fGDs) tragen sowohl die Cas9- als auch die Guide-RNA-Komponenten in einem verknüpften einheitlichen Paket. Im Gegensatz dazu bestehen Split Drives (sGDs) aus zwei genetischen Elementen, die separat die Cas9- und Guide-RNA-Komponenten tragen und an verschiedenen Stellen im Genom eingefügt sind. Split-Laufwerke gelten als sicherer als fGDs, da es möglich ist, die von jedem der Elemente getragenen Komponenten separat oder unter Bedingungen zu kontrollieren und zu testen, bei denen sie die Frequenz der gRNA-Komponente allmählich verstärken. Die Forscher entwerfen die beiden Elemente so, dass sie sich schließlich wieder verbinden, um die Wirkung eines vollständigen Gene Drive zu erzielen.

Im Falle der Ausrottung von Malaria haben vollständige Gene Drives aufgrund ihres Potenzials als Vehikel zur Übertragung von Elementen, die die Übertragung von Malariaparasiten, die Infektionen verursachen, stoppen, erhebliche Begeisterung ausgelöst. Aber fGDs haben auch Bedenken geweckt, da sie sich schnell ausbreiten und möglicherweise die genetische Ausstattung ganzer Mückenpopulationen verändern können. Das Experimentieren mit fGDs erfordert Hochsicherheitsbarrieren und -beschränkungen, um ein unbeabsichtigtes Entweichen von Insekten, die solche Laufwerke tragen, in die offene Umgebung zu verhindern.

Dies ist bei Split Gene Drives nicht der Fall. Da die Schlüsselelemente getrennt sind, bergen sGDs ein weitaus geringeres Risiko einer unbeabsichtigten Ausbreitung und Forscher haben viel mehr Kontrolle über ihre sichere Manipulation. Experimente mit sGDs können in herkömmlichen Laboreinrichtungen durchgeführt werden, was viel mehr Flexibilität zum Testen ihres Potenzials ermöglicht.

Wissenschaftler standen jedoch vor der Herausforderung, Systeme zu entwickeln, die sGDs effektiv in voll funktionsfähige fGDs umwandeln. Eine Herausforderung bei der derzeitigen Umwandlung von sGD-Systemen in fGDs besteht darin, dass sie auf zwei getrennten genetischen Komponenten beruhen, von denen jede effiziente Antriebseigenschaften aufweisen muss.

Jetzt haben Wissenschaftler der UC San Diego, die kürzlich Pionierarbeit bei der Entwicklung von Gene Drives und verwandten Technologien geleistet haben, ein flexibles genetisches „Hacking“-System zur Umwandlung von sGDs in fGDs entwickelt. Die Forscher arbeiteten an Fruchtfliegen und entwickelten eine neuartige genetische Strategie, die eine speziell entworfene Leit-RNA einsetzt, die vom Cas9-Teil des sGD getragen wird. Dieses Hacking-Tool schneidet die kopierende Komponente der sGD ab und löst einen genetischen Austausch oder ein „Rekombinationsereignis“ aus, das das Cas9 in das Element einfügt, das die Leit-RNA trägt, was zur Schaffung einer voll funktionsfähigen fGD führt.

„Zunächst und am wichtigsten liefert die Studie einen Grundsatznachweis für die agile genetische Umwandlung einer sGD in eine fGD, was die Erprobung und Entwicklung neuer optimierter Gene-Drive-Systeme erheblich unterstützen sollte“, sagte der Erstautor des Papiers Terradas , der jetzt an der Penn State University arbeitet.

Nachdem die Forscher ihr neues sGD-to-fGD-Hacking-System entwickelt hatten, zeigten sich einige überraschende Ergebnisse. Das neu gehackte fGD breitete sich wie erwartet durch Populationen von Fliegen in Käfigexperimenten aus. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit war jedoch unerwartet langsamer, als Modelle für eine traditionelle fGD vorhergesagt hatten.

Die Forschungsmitarbeiter Bennett und Marshall entwickelten ein mathematisches Modell, das eine Erklärung lieferte. Ihr Modell zeigte, dass fGDs während der Hacking-Umwandlung den einzelnen Fliegen größere Fitnesskosten auferlegen als sGDs allein. Dieser Fitnessaufwand, der entsteht, wenn sich das Triebelement selbst kopiert, verschwand, nachdem es auf alle potenziellen Zielchromosomen in der Population eingewirkt hatte.

„Die Studie enthüllt unerwartete Komplexitäten bei der Zusammenarbeit von Gene-Drive-Komponenten und zeigt, dass man nicht einfach annehmen kann, wie separate Komponenten interagieren, wenn sie zusammengebracht werden“, sagte Bennett.

Die vollständige Autorenliste der Zeitung umfasst Gerard Terradas, Jared Bennett, Zhiqian Li, John Marshall und Ethan Bier.