Экологическая инженерия и генные драйвы

Генный драйв — это генетический элемент, наследуемый более чем половиной потомков гетерозиготного родителя. Одно это отклонение от менделевского расщепления и составляет всю идею: аллель распространяется, даже снижая приспособленность носителя, и потому расходится по дикой популяции из небольшого выпуска, вместо того чтобы доставляться каждой особи.

Хоминг: драйв копирует сам себя

Инженерный вариант заимствует механизм у природных генов хоминг-эндонуклеаз. Конструкция кодирует нуклеазу и направляющую на ровно ту хромосомную позицию, которую сама занимает, — то есть сидит в сайте, разрезать который может лишь на гомологичной хромосоме, в копии дикого типа. В зародышевой линии гетерозиготы нуклеаза режет этот дикий аллель; клетка чинит разрыв гомологичной рекомбинацией по целой хромосоме как образцу, а образец содержит драйв. Гетерозигота становится гомозиготой ещё до образования гамет, и наследование приближается к ста процентам.

Отсюда две стратегии полезного груза. Подавляющий драйв бьёт по гену, необходимому для женской плодовитости или жизнеспособности, и популяция схлопывается по мере закрепления драйва. Модифицирующий драйв несёт груз — например, эффектор, блокирующий развитие паразита в комаре, — оставляя численность прежней и меняя то, что популяция способна переносить.

Устойчивость порождает сам механизм

Это центральный технический факт области. Хоминг требует, чтобы разрыв был починен гомологичной рекомбинацией, но тот же разрыв в той же клетке может быть закрыт и негомологичным соединением концов. Возникает небольшой индель в точке разреза — аллель, который направляющая больше не узнаёт, который не конвертируется и который, если функция гена сохранилась, поддерживается отбором в подавляющем драйве. Одного такого аллеля, возникшего где угодно в большой популяции, бывает достаточно, чтобы её спасти. Это не проблема нецелевой активности: это конкуренция путей репарации в самой целевой точке, описанная на странице «Редактирование генома», но развёрнутая в масштабе популяции.

Инженерные ответы этот факт признают. Мультиплексные направляющие требуют нескольких независимых устойчивых мутаций сразу. Выбор мишенью настолько функционально стеснённой последовательности, что почти любой индель в ней сам летален — образцовый случай здесь консервативный участок гена женской плодовитости, — делает переживающие отбор устойчивые аллели редкими, а не просто нечастыми.

Схемы, возвращающие часть необратимости

Свойство, дающее драйву силу, оно же мешает его разрешить: будучи выпущен, он не остаётся там, куда его поместили. Расщеплённые схемы разносят нуклеазу и направляющую, так что без обеих драйв не распространяется. Драйвы-«маргаритки» выстраивают элементы так, что каждый гонит следующий, а цепочка исчерпывает себя за ограниченное число поколений. Пороговые конструкции расходятся лишь выше определённой частоты выпуска, поэтому малый случайный побег устраняется отбором, а не усиливается. Каждая покупает сдерживание ценой уменьшенного охвата.

Негенетические вмешательства в популяцию — облучённые стерильные самцы и выпуски насекомых с Wolbachia, меняющей размножение или переносимость инфекции, — стоят рядом и уже применяются в поле в большом масштабе. Рамки управления и согласия, требуемые полевым выпуском, на этой странице не рассматриваются.