“基因驱动”可以一举消灭整个害虫种群

如果有一种人道的，有针对性的方法来消灭外来的害虫物种，如老鼠，老鼠和兔子，通过将自己的基因转移到自己身上，使它们不能再繁殖并且它们的种群崩溃，该怎么办?

基因驱动 - 一种涉及故意在整个群体中传播有缺陷基因的技术- 有望做到这一点。对于使用基因驱动器清除入侵物种的岛屿并允许本地物种繁荣的可能性，环保主义者感到兴奋。

尽管围绕这一新兴技术存在严重的生物安全，监管和道德问题，围绕该技术的炒作仍在继续。我们今天发表在“皇家学会学报B”杂志上的研究表明，在某些情况下，基因组编辑可以发挥作用。

好的和坏的基因

构建旨在抑制害虫种群的基因驱动的最简单方法是鉴定对害虫物种繁殖或胚胎发育至关重要的基因。然后将新的DNA序列 - 基因驱动“盒”插入该基因中以破坏其功能，从而产生该基因的错误版本(或“等位基因”)。

通常，有缺陷的等位基因不会通过种群传播，因为携带它们的个体的进化适应性降低，这意味着它们比无故障等位基因更不可能传递给下一代。但是新开发的CRISPR基因编辑技术可以通过创建更有可能传递给下一代的基因驱动序列来欺骗自然选择。

这是诀窍的作用。基因驱动盒包含两种新产品的遗传信息：切割DNA的酶和称为指导RNA的分子。这些产品一起作为一对小分子剪刀，切割目标基因的第二(正常)拷贝。

为了修复切口，细胞使用基因驱动序列作为修复模板。这导致两条染色体上的基因驱动(以及因此有缺陷的基因)的拷贝。

这个过程被称为“归巢”，当在动物的卵子或精子生成细胞中开启时，它应该保证几乎所有的后代都继承了基因驱动序列。

随着基因驱动序列的扩散，载体之间的交配变得更加可能，产生具有两个错误等位基因的后代，因此无菌或不能在胚胎阶段发育。

它会起作用吗?

开发抑制驱动的最初尝试可能会集中在具有快速生命周期的入侵物种上，这些物种允许基因驱动快速传播。房子老鼠显然是个不错的候选人，因为他们有很多后代，他们已经很详细生物学家进行了研究，并已殖民世界的广大地区，包括岛屿。

在我们的研究中，我们开发了一个数学模型来预测基因驱动是否可以逼真地用于根除岛上的侵入性小鼠。

我们的结果表明这种策略可行。我们预测，仅仅100只携带基因驱动的小鼠就可以在4到5年内消灭50,000只小鼠。

但它只有在遗传归巢过程中 - 其作用是克服自然选择-才能按计划运作。

进化反击

正如澳大利亚的欧洲兔子对引入控制它们的病毒产生抗性一样，进化也可能阻碍利用基因驱动进行生物防治的尝试。

非脊椎动物物种的实验表明，在某些情况下归巢可能会失败。例如，DNA断裂可以通过另一种机制修复，该机制将破碎的DNA序列缝合在一起而不复制基因驱动模板。这也破坏了引导RNA靶向的DNA序列，产生了一种永远不会接受基因驱动的“抗性等位基因”。

甲在蚊子最近的研究估计，在归巢尝试的至少2%形成抗性等位基因。我们对小鼠的模拟实验证实这是一个严重的问题。

在归巢期间考虑到低失败率之后，抗性等位基因的产生和传播允许模拟群体在最初的丰度下降后反弹。因此，不完全的归巢威胁到基因驱动根除或甚至抑制害虫种群的能力。

该问题的一个潜在解决方案是在基因驱动盒内编码多个指导RNA，每个指导RNA靶向不同的DNA序列。这应该通过允许“多次射击目标”来减少归巢失败率，并且在更多情况下避免产生阻力等位基因。

为了消灭生活在岛上的20万只小鼠，我们计算出基因驱动序列需要包含至少三种不同的指导RNA序列，以避免小鼠最终在我们根除它们的尝试中取得更好的效果。

从炒作到现实

基因驱动是超级驱动器来控制害虫，还是只是炒作?部分答案将来自实验室小鼠的基因驱动实验(适当的收容)。这将有助于提供关键数据，为辩论其可能的部署提供信息。

如果引入的基因驱动力扩散到管理目标群体之外，我们还需要更复杂的计算机建模来预测对非目标人群的影响。使用模拟，可以测试不同基因驱动策略的性能和安全性，包括涉及多个基因操作的多个驱动的策略。