Генный драйв может снизить численность пятнистокрылой дрозофилы

Исследователи из Университета штата Северная Каролина в Рэли создали систему для генного драйва, основанную на CRISPR-Cas9 (homing gene drive system), которую можно использовать для сокращения численности пятнистокрылой дрозофилы Drosophila suzukii. Пятнистокрылые дрозофилы повреждают мягкие фрукты и ягоды. Их естественный ареал — Юго-Восточная Азия, но сейчас они обитают также в Европе, Северной и Южной Америки.

В последние годы предложены различные генетические методы сокращения численности насекомых-вредителей: трансгенные линии с репрессируемой тетрациклином генетической системой, летальной для самок; уничтожение Х-хромосом при сперматогенезе с помощью CRISPR-Cas-9, снижающее количество самок; воздействие на отдельные гены, позволяющее получить достаточное количество стерильных самцов для выпуска в природу, и технология генного драйва.

Генный драйв — явление, при котором вероятность наследования определенного аллеля отклоняется от менделевской (в данном случае увеличивается). Генноинженерные конструкции для генного драйва кодируют Cas9 и гидовую РНК; экспрессия этой конструкции приводит к тому, что в парной хромосоме вместо аллеля дикого типа возникает та же последовательность (это явление называется хомингом). В результате новая аллель наследуется более чем половиной потомков.

Генноинженерные системы генного драйва уже были опробованы на дрозофилах, мышах и москитах. Система, предложенная в новой работе, нацелена на ген doublesex (dsx), который отвечает за определение пола. Этот ген экспрессируется как у самцов, так и у самок, а затем его мРНК подвергается альтернативному сплайсингу: у самок образуется более короткая изоформа белка dsx^f, у самцов — более длинная dsx^m. Продукция dsx^f обусловлена наличием специфичной для самок версии гена transformer (tra). Женские гениталии и специфичные для самок формы поведения развиваются только при наличии изоформы dsx^f.

Конструкция для генного драйва, предложенная в новой работе, содержала ген гидовой РНК, а также ген флуоресцентного белка DsRed, который облегчал отслеживание передачи потомкам. Они были фланкированные участками, гомологичными мишени, — это способствовало встраиванию конструкции в разрезанный участок. Мишенью гидовой РНК был экзон dsx, необходимый для функции «женской» изоформы dsx^f, но не «мужской» dsx^m. Ген Cas9 встраивался в другой участок генома и стоял под промотором nanos, который обеспечивает экспрессию только в клетках зародышевой линии. (Этот ген наследовался по-менделевски, что повышает биобезопасность системы — в отсутствие Cas9 генного драйва не будет.)

Авторы получили трансгенных мух с конструкциями для хоминга; линии поддерживались скрещиванием самцов с самками дикого типа. Гемизиготные (имеющие одну копию конструкции) самки большинства линий были бесплодны и экспрессировали как dsx^f, так и dsx^m. Авторы также получили вариант конструкции, с которой гемизиготные самки сохраняли фертильность, а бесплодными были только гомозиготы (это полезно, так как, по данным моделирования, численность снижается быстрее, если хоминг происходит у обоих полов.)

Скрещивание линий дрозофил, несущих гены Cas9, и линий с конструкциями для хоминга, позволило получить мух, которые при скрещивании с диким типом давали потомство, наследующее аллель драйва с частотой, существенно больше 50%.В одной из линий уровень передачи гена гена DsRed достиг 94–99%.

Известны случаи, когда в геномах москитов появлялись мутации в участках, фланкирующих сайт встраивания, и это препятствовало генному драйву. Авторы подтвердили, что мутантные аллели dsx у D. suzukii с небольшими делециями недалеко от сайта, в который вносит разрез Cas9, не вызывают резистентности к драйву (хотя и допускают, что такие мутации могут появиться в дальнейшем).

Также авторы создали математическую модель, в которой «выпускали» самцов, гемизиготных по генам Cas9 и конструкции для хоминга, в популяцию дикого типа, чтобы выяснить, как быстро это приведет к ее вымиранию. Предложенные конструкции оказались более эффективными, чем использование стерильных самцов; интересно, что линии с доминантной и рецессивной стерильностью самок по эффективности не различались. Полученные результаты могут открыть путь к дешевому и эффективному снижению численности вредных насекомых, считают авторы.