Cameron Merritt
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Ein Gen-Antrieb ist eine Art gentechnische Technik, die Gene so modifiziert, dass sie nicht den typischen Vererbungsregeln folgen. Genantriebe erhöhen die Wahrscheinlichkeit, dass eine bestimmte Reihe von Genen an die nächste Generation weitergegeben wird, dramatisch, sodass sich die Gene schnell in einer Population ausbreiten und die natürliche Selektion außer Kraft setzen können. Dank CRISPR-Cas9, der aus Bakterien gewonnenen Gen-Editing-Technologie, können Forscher Gen-Antriebe leichter aufbauen.
Mit der Gen-Drive-Technologie "können Sie die Evolutionsbahn verändern. Sie können zum Aussterben führen", sagte Andrea Crisanti, Genetikerin am Imperial College London. Dies könnte ein wirksamer Weg sein, um störende Arten wie Malaria verursachende Mücken auszurotten. Die Wissenschaftler arbeiten jedoch immer noch daran, die potenziellen ökologischen und ökologischen Auswirkungen der Verwendung von Genantrieben zur Eliminierung einer ganzen Art zu ermitteln.
Wie funktionieren Genantriebe??
Ein Gen-Antrieb besteht aus drei Schlüsselkomponenten: dem Gen, das Sie verbreiten möchten; das Cas9-Enzym, das DNA schneiden kann; und CRISPR, eine empfehlenswerte DNA-Sequenz, die angibt, wo das Enzym schneiden soll. Das genetische Material, das für diese drei Elemente kodiert, wird anstelle des natürlich vorkommenden Gens, das Sie in beiden Chromosomen ersetzen möchten, in die DNA eines Tieres eingefügt.
Die Kraft des Genantriebs besteht darin, dass er die Vererbungsgesetze stört, sagte Crisanti. Bei normaler Vererbung besteht eine 50% ige Wahrscheinlichkeit, dass ein bestimmtes Gen vom Elternteil an die Nachkommen weitergegeben wird. Die Gene Drive-Technologie verwandelt eine 50% ige Chance in eine fast 100% ige Garantie.
Wenn sich ein Tier, das das Gen-Drive-Paket trägt, mit einem Tier paart, das dies nicht tut, erhalten seine Nachkommen von beiden Elternteilen eine Kopie der DNA: eine natürliche Version und eine Gen-Drive-Version. Wenn das Sperma auf die Eizelle trifft und die Chromosomen der verschiedenen Eltern zum ersten Mal in einer Reihe stehen, wird CRISPR in der Gen-Drive-DNA aktiviert. Es erkennt die Kopie des natürlichen Gens im gegenüberliegenden Chromosom und weist das DNA-schneidende Cas9-Enzym an, die natürliche Kopie auszuschneiden, bevor die Embryonalentwicklung beginnt.
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Sobald das natürliche Gen beschädigt ist, wird die spezielle Reparaturmaschinerie der Zelle ausgelöst. Die Reparaturmaschinerie stellt die fehlende DNA wieder her, verwendet jedoch das ungebrochene Chromosom, das den Genantrieb trägt, als Vorlage. Wenn die Reparatur abgeschlossen ist, tragen beide Chromosomen eine Kopie des Genantriebs. Ab diesem Zeitpunkt befinden sich in jeder Zelle zwei Kopien des Genantriebs, und das Tier gibt den Genantrieb an die nächste Generation weiter.
Und so geht der Prozess weiter. Jedes Mal, wenn das Laufwerk weitergegeben wird, schneidet CRISPR die natürliche Version des Gens, die Zellreparaturmaschinerie greift ein und aus einer Kopie des Gen-Laufwerks werden zwei. In nur wenigen Generationen ist das neue Gen in der Bevölkerung allgegenwärtig und ersetzt manchmal das natürlich vorkommende Gen..
Mücken mit Genantrieb
Im Jahr 2018 veröffentlichten Crisanti und seine Kollegen in der Zeitschrift Nature Biotechnology eine Studie, in der beschrieben wurde, wie die Gen-Drive-Technologie zum Zusammenbruch der Bevölkerung führen kann Anopheles gambiae, die Mückenart, die Malaria verursacht. Die Gruppe baute einen Genantrieb auf, der ein geschlechtsspezifisches Gen verändern und die weibliche Fruchtbarkeit stören würde. Der Genantrieb mit dem geschädigten weiblichen Fertilitätsgen breitete sich in nur sieben Generationen über 100% der Testpopulation aus. Die Art konnte sich nicht paaren und die Population brach zusammen. Einige Forscher glauben, dass dies der Ansatz sein könnte, der Malaria endgültig auslöscht - eine brutale Krankheit, die laut der Weltgesundheitsorganisation 2018 weltweit 280 Millionen Krankheiten und 405.000 Todesfälle verursacht.
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Der Gen-Drive-Ansatz ist ein einzigartig erschwinglicher und nachhaltiger Weg, um Malaria verursachende Mücken auszurotten, sagte Cristanti. Andere Ansätze wie Insektizide und Umweltmanagement sind effektiv, aber extrem teuer und gehen weit über die wirtschaftlichen Möglichkeiten vieler Länder hinaus, sagte er. "Gene Drive ermöglicht die Verbreitung eines genetischen Merkmals in einer Population von wenigen Individuen, wodurch das Problem der Nachhaltigkeit an seiner Wurzel angegangen wird."
Aber eine ganze Art auszulöschen ist eine große Sache, und die Implementierung eines Genantriebs in der Natur ist keine leichte Entscheidung.
Sind Genantriebe gefährlich??
Wissenschaftler arbeiten daran, vorherzusagen, was die Beseitigung einer störenden Spezies für den Rest des Ökosystems bedeuten könnte.
Die Ausrottung von Malaria verursachenden Mücken mithilfe eines Genantriebs scheint ein Plan mit minimaler Auswirkung zu sein. "Bisher zeigen ökologische Tests, dass das Ökosystem nicht zusammenbricht", sagte Fred Gould, Evolutionsbiologe an der North Carolina State University, wenn eine Mückenart eliminiert wird.
Die ökologischen Auswirkungen anderer Gen-Drive-Projekte sind schwieriger zu erkennen. Zum Beispiel arbeiten Naturschützer und Genetiker an einem Gen-Antrieb, der invasive Inselnagetiere eliminieren könnte - eine großartige Anstrengung, wenn man bedenkt, dass invasive Inselnagetiere mit dem Aussterben von 75 einheimischen Arten in Verbindung gebracht wurden, so eine 2016 in der Zeitschrift Proceedings of veröffentlichte Studie die Nationale Akademie der Wissenschaften.
Die Ausrottung von Nagetieren mit einem Genantrieb birgt jedoch potenziell größere ökologische Risiken als die Ausrottung einer Mücke. Wenn Nagetiere mit Genantrieb jemals der Insel entkommen und in den natürlichen Lebensraum der Nagetiere wie Nordamerika zurückkehren sollten, könnte der Antrieb Mäuse und Ratten eliminieren, bei denen sie ein kritischer Teil des Ökosystems sind. Die Abwesenheit der Nagetiere könnte zum Zusammenbruch des Ökosystems führen.
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Aus diesem Grund haben Gould und seine Kollegen an einer Strategie gearbeitet, die nur auf Inseln lebende Mäuse zum Ziel hat. Geografisch unterschiedliche Populationen tragen häufig dieselbe Variante eines Gens oder Allels, die für ihre lokale Population spezifisch ist. Wenn Wissenschaftler ein Allel identifizieren können, das für die Population spezifisch ist, die sie ausrotten möchten, können sie einen Genantrieb erzeugen, der für diese Population spezifisch ist. Der Antrieb würde sich nur auf Personen ausbreiten, die dieses spezifische Allel tragen; Ohne dieses spezifische Allel würde es bei Individuen nicht funktionieren. Die Forscher beschrieben diese Methode in einer Studie aus dem Jahr 2019, die in der Zeitschrift Scientific Reports veröffentlicht wurde.
Darüber hinaus untersuchen mehrere Wissenschaftler mögliche Sanierungspläne oder Strategien zur Entfernung des Genantriebs aus der Umwelt bei unerwünschten Ergebnissen. Zum Beispiel veröffentlichten Crisanti und seine Kollegen 2017 in der Zeitschrift Plos Genetics eine Studie, in der beschrieben wurde, wie genetische Mutationen, die gegen den Genantrieb resistent sind, in nur wenigen Generationen fortbestehen und den Genantrieb eliminieren können. Die Gen-Drive-resistente Mutation müsste vermieden werden, damit der Gen-Drive bestehen bleibt, oder es könnte ein Weg sein, einen unerwünschten Gen-Drive zu eliminieren.
Obwohl das Konzept der Verwendung eines Genantriebs zum Schutz der menschlichen Gesundheit und zur Wiederherstellung des ökologischen Gleichgewichts vielversprechend ist, muss die Erforschung der Auswirkungen und der Wirksamkeit des Tools noch weit gehen.
Zusätzliche Ressourcen:
- Bleiben Sie auf der CRISPR-News-Seite über die neuesten Nachrichten zu CRISPR auf dem Laufenden.
- Sehen Sie sich dieses kurze Video an, das beschreibt, wie ein Gen-Antrieb vom Wyss Institute der Harvard University funktioniert.
- Hier ist ein weiteres kurzes Video, das mögliche Möglichkeiten zum Schutz eines Genantriebs beschreibt, ebenfalls vom Wyss Institute der Harvard University.