Úvod

Ve všech organismech se vyskytuje řada genů, které porušují předpoklad rovnoměrného přenosu a místo toho sobecky zvyšují svou frekvenci v následujících generacích (tzv. drive) na úkor genomu jako celku. Takové sobecké geny mohou tvořit podstatnou část genomu a vykazují řadu strategií pro zvýšení svého šíření . Některé genové drivy jsou narušiteli přenosu, které se zaměřují na gametogenezi, aby zajistily jejich nadměrné zastoupení ve vajíčkách nebo spermiích po meióze, což vede k účinnému narušení přenosu. Takové meiotické drivery byly poprvé popsány téměř před sto lety a byly charakterizovány u rostlin, hmyzu a savců . Mohou být autozomální (např. t haplotyp u myši domácí Mus musculus, který se přenáší ze samců až na 100 % potomků-) nebo spojené s jedním z pohlavních chromozomů, což vede k narušení poměru pohlaví (např. SR u mušek, způsobující až 100% dcer ). Nedávno byly vyvinuty syntetické genové pohony, které dosahují podobných výsledků – přenášejí se téměř na všechny potomky. Pokud se podaří zkonstruovat syntetické genové pohony a vložit je do populací škůdců, mohou se rychle rozšířit a potenciálně narušit funkci životně důležitého genu, což povede k vymření populace nebo k přeměně celé populace na samčí . Alternativně by genový pohon mohl nést balíček genů, jehož cílem by bylo trvale modifikovat cílovou populaci. Možné modifikace zahrnují znemožnění komárů přenášet malárii nebo zvýšení jejich zranitelnosti vůči pesticidům.

Potenciál využití systémů genového pohonu při kontrole velkých škůdců byl přijat s nadšením i skepsí. Tento přístup byl vychvalován jako revoluční a účinný mechanismus kontroly chorob přenášených hmyzem a škůdců plodin, který je vysoce cílený a potenciálně výrazně levnější než konvenční metody, jako jsou pesticidy . Existuje však řada překážek, jak technických, tak etických, které brání zavedení této techniky ve volně žijících populacích. Chceme-li předvídat výsledky uvolňování syntetických pohonů, musíme naléhavě pochopit, jak se přirozené pohonné systémy šíří populacemi. Jednou z klíčových překážek je riziko, že se u cílových populací rychle vyvine schopnost potlačit pohonný systém, čímž se stane neúčinným, jak bylo pozorováno u přírodních pohonných systémů . Kolik toho tedy v současné době víme o dynamice genových pohonů?“

Obsah zvláštního čísla

Toto zvláštní číslo obsahuje 14 příspěvků, které pokrývají širokou škálu aspektů přirozených a syntetických genových pohonů u řady živočišných a rostlinných druhů. Níže je představujeme a diskutujeme seskupené do tří širokých témat: (i) syntetické systémy pohonu, (ii) přirozené systémy pohonu a (iii) úspěšnost implementace a širší etické aspekty genových pohonů.

(a) Syntetické systémy pohonu

The Special Feature begins with two reviews. První z nich, Ritchie & Staunton , se zamýšlí nad poučením z dvacetileté účasti na nejpokročilejším programu zásahů genových pohonů: použití endosymbionta Wolbachia k potlačení přenosu virů komáry. Diskutují o historii kontroly komárů, od pesticidů přes přirozené nepřátele až po vypouštění sterilních samců, a o omezeních těchto přístupů, která vedla k naléhavé potřebě účinnějších řešení. Poté diskutují o objevu kmene nitrobuněčného parazita Wolbachia, který po vložení do komárů Aedes aegypti snižuje přenos horečky dengue na člověka. Tento kmen Wolbachie se v populacích komárů šíří pomocí cytoplazmatické inkompatibility: vajíčka neinfikovaných samic nemohou být oplodněna při páření se samci infikovanými Wolbachií, ale vajíčka infikovaných samic mohou být oplodněna infikovanými i neinfikovanými samci, což infikovaným samicím poskytuje fitness výhodu. Od vypuštění těchto komárů v australském Cairns se město zbavilo horečky dengue, což z něj činí dosud nejúspěšnější zásah genového pohonu.

Druhý přehled, jehož autory jsou Barrett a kol. , se zaměřuje na genový pohon u rostlin; oblast, v níž bylo provedeno poměrně málo prací s genovým pohonem. Shrnují mnoho klíčových možností a otázek a diskutují strategie využití syntetického genového pohonu ke zlepšení kontroly plevelů. Jedním z klíčových přístupů je přímé potlačování populací hubením cílových druhů rostlin. Naznačují však, že užitečnějším přístupem může být modifikace, která činí plevelné druhy zranitelnějšími vůči tradičním technikám kontroly, jako jsou pesticidy. Pro zemědělské využití to má obrovský potenciál, protože to omezuje hubící účinek ovladače na populace, na které jsou pesticidy zaměřeny, a radikálně snižuje jakýkoli dopad ovladače na necílové populace. Dalším zajímavým využitím je posílení přežití ohrožených druhů rostlin tím, že se do zranitelných populací vnesou specifické užitečné geny, jako je například odolnost vůči suchu. V přehledu je zejména zdůrazněna problematika uchovávání semen, dlouhodobého přetrvávání semen v půdě. Barrett a kol. ukazují, že banka semen může zpomalit šíření genového pohonu tím, že funguje jako zásobárna semen divokého typu. Tato problematika je do značné míry jedinečná pro rostliny, i když by snad mohla být aplikovatelná i na živočichy s kryptobiotickou fází, jako jsou tardigrádi, hlístice a rotifers.

Beaghton et al. se zaměřují na genový drive konverze, jehož konstrukce se stala relativně snadnou díky nástupu CRISPR/Cas9. Tento typ pohonu využívá syntetický nukleázový driver, který se kopíruje na homologní chromozomy, což umožňuje jeho rychlé šíření populací. Pokud pohon naruší klíčový gen související s plodností, může jeho šíření radikálně snížit produktivitu populace. Tento článek se zaměřuje na problematiku nefunkční rezistence u cílových genů. Modelování a praktické experimenty (např. Oberhofer et al. ) zjistily, že cílový gen se může rychle vyvinout tak, že je pro ovladač nerozpoznatelný, což zabrání přeměně genu a umožní této rezistentní alele udržet v populaci funkční verze cílového genu. Nedoceněným problémem však je, že mutace mohou také vytvořit nerozpoznatelné cílové alely bez zachování funkce cílového genu. Dříve byla tato možnost do značné míry přehlížena, protože nefunkční rezistentní alely stále vedou k tomu, že se geny v populaci stále více poškozují. Zde však Beaghton a kol. poukazují na to, že mechanismus pohonu má obvykle své náklady. Nefunkční rezistentní alely nenesou náklady pohonu a jsou imunní vůči přeměně genů, takže se mohou potenciálně šířit populacemi obsahujícími pohon, což snižuje šíření pohonu. To je skvělá ilustrace toho, jak je důležité, aby se modelování a empirická práce při navrhování a používání syntetického pohonu vzájemně úzce informovaly.

Další článek, jehož autorem je Holman , rovněž modeluje zajímavou, ale neprozkoumanou oblast genového pohonu, a to potenciální použití syntetických meiotických ovladačů u druhů se systémy determinace pohlaví ZW. U ZW organismů, jako jsou motýli a ptáci, mají samice heterozygotní pohlavní chromozomy. Model naznačuje, že ovladače s chromozomy Z, jejichž nositelky produkují pouze syny, by se měly šířit extrémně rychle, pokud se podaří zabránit evoluci rezistence. Tento model je významným krokem vpřed ve vývoji genových pohonů pro neprozkoumané druhy škůdců ZW, včetně trematodů, kteří způsobují schistosomózu, a závažných zemědělských škůdců z řádu Lepidoptera.

Existuje také reálný zájem o využití syntetického genového pohonu jako ochranářského opatření pro kontrolu invazních druhů, jako jsou krysy a myši, které způsobily vážný úbytek mnoha zranitelných endemických populací ptáků, savců a ještěrů. Godwin a kol. podávají přehled o možnostech využití genových pohonů ke kontrole populací škodlivých hlodavců. Uvažují o navrhovaných systémech pohonu založených na homologicky řízených opravách CRISPR (které zatím nebyly u myší spolehlivě funkční ) a také o modifikaci rozšířeného starobylého systému pohonu myši domácí, haplotypu t, na ovladač poměru pohlaví. Výhodou kooptace starobylého systému pohonu, v němž nebyly nalezeny supresory, je, že rychlá evoluce rezistence může být menším problémem. Manser a spol. dále zkoumají tento syntetický ovladač založený na t haplotypu, který je ve vývoji. Haplotyp t je autozomální ovladač zabíjející spermie, který manipuluje se spermiemi tak, že téměř všichni potomci heterozygotního samce zdědí haplotyp t. Haplotyp t je také autozomální ovladač. Cílem projektu t-Sry je vzít klíčový savčí gen pro určení pohlaví Sry z myšího chromozomu Y a vložit jej na haplotyp t na chromozomu 17, a vytvořit tak „t-Sry“, autozomální genový pohon, který změní všechny jedince, kteří jej zdědí, na samce. Záměrem je zavést t-Sry do populací ostrovních myších škůdců, čímž se celá populace změní na samce a zcela se eliminuje . Manser a kol. zkoumají populační dynamiku systému t-Sry. Modelují zavedení t-Sry na ostrovy, kde samice myší mají různou míru polyandrie (vícenásobného páření). Protože haplotyp t poškozuje spermie, mají nositelé špatný úspěch, když se samice, s nimiž se páří, páří také s divokými samci s nepoškozenými spermiemi. Manserovy modely naznačují, že populace s vysokou mírou polyandrie ztěžují šíření t-Sry a vyžadují větší úsilí při uvolňování. Vzhledem k tomu, že polyandrie je v přírodě rozšířená , mohou být tyto výsledky relevantní i pro jiné systémy pohonu, které snižují konkurenceschopnost samčích spermií.

Godwin a kol. dále upozorňují na některé klíčové biologické, regulační a bezpečnostní problémy při používání genových pohonů u myší. Biologie, ekologie a chování cílových populací ostrovních hlodavců zůstávají nedostatečně prozkoumány. Přinejmenším stejně důležité je, že navazují na Ritchieho & Stauntona a George et al. a zdůrazňují, jak zásadní bude, aby regulační rámce držely krok s tempem výzkumu genových pohonů, a jak důležité je zajistit, aby dotčené komunity a zainteresované strany byly konzultovány, informovány a aby jim byla svěřena hlavní role při jakémkoli rozhodování o nasazení pohonů.

(b) Přírodní systémy pohonů

Před jakýmkoli uvolněním je pro posouzení rizik a přínosů syntetických pohonů zásadní pochopit, jak se syntetické systémy pohonů pravděpodobně rozšíří v přírodě. Studium přírodních pohonných systémů v minulém století naštěstí poskytlo značné teoretické a empirické poznatky o tom, jak pohonné systémy fungují a jak se šíří. Až donedávna nám chyběly dostatečné údaje o fitness nákladech přirozených ovladačů, abychom mohli vytvořit modely o jejich šíření v přírodě, které by dobře odpovídaly frekvencím ovladačů pozorovaným v divokých populacích.

V tomto zvláštním článku čtyři studie uvádějí fitness náklady spojené se samčími meiotickými ovladači. Tyto drivery působí během vývoje spermií, aby eliminovaly svou konkurenci, konkrétně spermie nenesoucí drivery, což podporuje jejich vlastní přenos. Finnegan et al. , Larner et al. , Dyer & Hall a Lea & Unckless měřili fitness náklady u samců a samic spojené s jejich druhově specifickým meiotickým ovladačem, a to u mouchy stonkové Teleopsis dalmanni, u ovocné mušky Drosophila pseudoobscura, u Drosophila recens a u Drosophila melanogaster, Drosophila affinis a Drosophila neotestacea. Tyto náklady na fitness se projevují jako snížená životaschopnost vajíček až do dospělosti , snížená produkce potomstva u samic a snížená úspěšnost konkurence spermií . Fitness náklady jsou však specifické pro jednotlivé znaky. Lea & Unckless nezjistil žádnou sníženou imunitní funkci spojenou se samčím meiotickým pohonem a Dyer & Hall nezjistil žádné účinky na párovací preference samic ani na dlouhověkost. Larner et al. a Dyer & Hall pak použili kvantifikované náklady fitness k parametrizaci populačně genetických modelů pro předpověď rovnovážných frekvencí v přírodě. Tyto předpovězené frekvence se blížily pozorovaným frekvencím. Jedná se o důležitý krok k pochopení dynamiky přírodních hnacích systémů, a i když se detaily budou u jednotlivých systémů lišit, souhrnně tyto studie rozšiřují povědomí o potenciálních fitness nákladech v přírodě. Systémy pohonu zkoumané v těchto čtyřech studiích leží v rozsáhlých chromozomálních přestavbách, které brání rekombinaci v rozbití kritických prvků pohonu . Zůstává neznámé, do jaké míry tyto fitness náklady vznikají pouze jako důsledek snížené rekombinace, která umožňuje akumulaci škodlivých mutací, nebo jsou pleiotropními účinky samotných pohonů.

Fitness náklady také selektují evoluci genetických supresorů pohonu. Supresory jsou přítomny ve většině pohonných systémů Drosophila , nikoli však u D. pseudoobscura. Price a kol. se zamýšlejí nad tím, proč tomu tak může být. Nízké, stabilní frekvence pohonu pozorované ve volné přírodě lze vysvětlit náklady na fitness vyplývajícími z kombinovaného účinku špatné kompetitivní schopnosti spermií SR samců a nákladů na homozygotní SR samice. Tyto fitness náklady ovlivňující dynamiku drivu však stále znamenají, že evoluce potlačení drivu by byla výhodná. Absence supresorů je proto záhadná. Tento systém pohonu u drozofil přetrvává v přírodě přinejmenším stovky tisíc let , což vede Price a spol. k otázce, zda se starobylé systémy pohonu nemohou evolučně lišit od mladších. Odhalení mechanismů, které jsou základem tohoto systému pohonu, by pomohlo objasnit, zda existují zvláštní genetická omezení, díky nimž je evoluce suprese méně pravděpodobná, a zda jsou společná i jiným starobylým systémům, u nichž se genetická suprese také nevyvinula .

Pochopení genetické architektury přírodních systémů pohonu je tedy důležité pro pochopení jejich účinků a toho, jak se pohony vyvinuly, ale také může pomoci při návrhu syntetických pohonů. Naváděcí endonukleázové pohonné systémy byly popsány u kvasinek a bakterií, později inspirovaly syntetické naváděcí endonukleázové pohonné systémy . Syntetický ovladač Medea vyvinutý pro škůdce plodin Drosophila suzukii se inspiroval stejnojmenným přírodním pohonným systémem , známým z moučných brouků Tribolium . Vývoji syntetických drtičů chromozomu X u komárů předchází objev přirozeného drtiče chromozomu X u komárů , a syntetický narušitel poměru pohlaví vyvíjený u myší domácích je přímo založen na modifikaci haplotypu t . Courret a kol. podávají přehled o původu a mechanismech 19 známých ovladačů u drozofily a ukazují, že téměř všechny dobře charakterizované systémy se vyvinuly z genových duplikací a zahrnují regulaci heterochromatinu, malé RNA a/nebo jaderné transportní dráhy. Odhalení fungování těchto systémů je ztíženo jejich spojením s inverzemi, heterochromatinem a epistatickými interakcemi .

Studie genové exprese mohou pomoci určit, co prvky pohonných systémů dělají. V práci Lindholm et al. je analyzován transkriptom t haplotypu myši domácí. Nositelství jedné kopie t haplotypu změnilo ve varleti především expresi genů spermatogeneze, a to jednak genů mapujících t haplotyp, ale také většího počtu genů ve zbytku genomu. Zda je těchto transgenních regulačních účinků dosaženo transkripčními faktory, nekódující RNA, modifikací chromatinu nebo jinými procesy, není v současné době známo. V ostatních tkáních byly zjištěny menší rozdíly, které byly lokalizovány především do t haplotypu. Tato studie poukazuje na jemně odstupňovanou adaptaci ovladače na zbytek genomu nebo na rozsáhlou koadaptaci mezi nimi. Můžeme očekávat, že syntetické ovladače se budou vyvíjet tak, aby vykazovaly podobné vzorce, pokud budou mít dostatek generací?“

(c) Úspěšnost realizace a širší etické úvahy o genovém pohonu

O rizicích a přínosech využití genového pohonu jako prostředku k regulaci a potlačení populací škůdců a přenašečů ve volné přírodě – zejména komárů přenášejících malárii – se hodně diskutovalo. Genové pohony byly také navrženy jako účinný a humánní prostředek k regulaci invazních druhů, například hlodavců na ostrovech (viz také Godwin et al. ; Manser et al. v tomto čísle). Potenciální přínosy jsou impozantní: snížení rizika onemocnění přenášených hmyzem a snížení závislosti na pesticidech se všemi souvisejícími škodlivými vedlejšími účinky (jako je bioakumulace v lidské potravě nebo otrava necílových volně žijících živočichů ). Kromě toho se zvyšují náklady na nasazení pesticidů v důsledku nevyhnutelného vzniku rezistence a trvalého rizika šíření nemocí rezistentními přenašeči. Existují také značná rizika spojená s používáním syntetických genových pohonů. Jedním z rizik je přelévání genových pohonů do necílových populací a druhů. Navzdory nízké pravděpodobnosti přenosu genového disku mezi druhy Národní akademie věd Spojených států (USA) v současné době doporučuje, aby bylo riziko horizontálního přenosu genů vyhodnoceno před jakýmkoli zvažovaným uvolněním genového disku do životního prostředí . Kromě přímých rizik genových pohonů ovlivňujících necílové druhy je také důležité posoudit širší důsledky, které bude mít odstranění nebo změna cílové populace nebo druhu na širší ekosystém.

Diskuse kolem této technologie částečně pramení z nedostatečných znalostí o přírodních, natož syntetických genových pohonech. Zdá se, že panuje shoda v tom, že v současné době není možné vyhodnotit, zda přínosy převažují nad riziky, ale že by to nemělo znamenat, že by výzkum a pokusy využívající genový pohon měly být zakázány. Například doporučení Královské společnosti pro Úmluvu Organizace spojených národů (OSN) o biologické rozmanitosti (CBD) je vyhnout se přijetí jakéhokoli stanoviska, které by podpořilo mezinárodní moratorium na výzkum genových pohonů, včetně experimentálních polních pokusů, což je stanovisko, které zaznělo na zasedání CBD OSN v listopadu loňského roku . Moratorium bylo nakonec zamítnuto. Námitka vznikla částečně proto, že pokud by byl výzkum genových pohonů zakázán, vedlejší efekt by byl škodlivý, protože by v podstatě znemožnil jakoukoli širší veřejnou diskusi předtím, než bychom zjistili potenciální riziko, a tedy vyhodnotili, jak bychom mohli tuto technologii bezpečně používat.

Moratorium však bylo přeformulováno tak, aby zdůrazňovalo potřebu konzultovat s místními komunitami a domorodými skupinami, které jsou potenciálně ovlivněny, předtím, než se začne uvažovat o případném uvolnění, což je ozvěnou doporučení George a kol. a Ritchieho & Stantona v tomto čísle. Obecně platí, že jakémukoli potenciálnímu budoucímu použití genových pohonů by měla předcházet veřejná diskuse o relativní přitažlivosti použití genových pohonů ve srovnání s alternativními řešeními. Velký význam byl kladen na zajištění toho, aby byl budoucí výzkum vhodně řízen tak, aby zahrnoval různé širší společenské dopady, kromě zohlednění biologické bezpečnosti a nežádoucích ekologických a zdravotních dopadů . Takový konzultační přístup je zdůrazněn v příspěvku George et al. , kteří rovněž upozorňují na složitosti spojené s etickými úvahami o vypouštění upravených genových stimulátorů do přírody. Důležitost zajištění dostatečné důvěry veřejnosti a politiků zdůrazňuje také Ritchie & Staunton , který tvrdí, že je to klíčové pro zajištění širšího využití. Příkladem úspěchu tohoto přístupu je práce prováděná neziskovým výzkumným konsorciem Target Malaria (targetmalaria.org/who-we-are/), jehož cílem je vývoj a sdílení technologií pro kontrolu malárie. Konsorcium zahrnuje vědce, týmy pro zapojení zainteresovaných stran, odborníky na hodnocení rizik a regulační experty z Afriky, Severní Ameriky a Evropy a jeho součástí je i etický poradní výbor.

Kromě využití přirozeně se vyskytujících endosymbiontů, jako je Wolbachia, k narušení přenosu nemocí u komárů, nebyl dosud žádný syntetický genový pohon vypuštěn do volně žijící populace. Americké ministerstvo zemědělství vyloučilo rostliny s upraveným genomem z regulačního dohledu, takže se to může změnit. Australská vláda také nedávno rozhodla, že nebude regulovat používání technik genové editace, které nevnášejí do organismů nový genetický materiál, ale zvýší své požadavky na monitorování experimentů s genovými pohony . Naproti tomu Soudní dvůr Evropské unie rozhodl, že geneticky upravené plodiny by měly být považovány za geneticky modifikované organismy podléhající přísné regulaci . Je zřejmé, že neexistuje celosvětová shoda.

Používání „biologických“ kontrolních opatření, jako je endosymbiont Wolbachia, který po vnesení do komárů A. aegypti potlačuje přenos virů dengue, Zika a chikungunya, se již dočkalo rozsáhlých polních zkoušek v Austrálii i jinde . První úspěšné použití cytoplazmaticky indukované samčí sterility ke kontrole komárů rodu Culex bylo provedeno v Barmě před více než 50 lety , a v současné době probíhá několik velkých pilotních vypouštění komárů Aedes modifikovaných wMel (World Mosquito Program: http://www.eliminatedengue.com/our-research/wolbachia). Jejich úspěšné nasazení je závislé na silné společenské a politické podpoře (např. úspěšný Světový program proti komárům zaměřený na eliminaci horečky dengue), protože bez ní pravděpodobně selžou, jako v případě několika schválených pokusů, kterým chyběla podpora . Je pozoruhodné, že použití přirozeně se vyskytujících látek, jako je Wolbachia (která může způsobit účinnou sterilizaci vyvoláním cytoplazmatické inkompatibility), se zdá být ve srovnání se syntetickými genovými pohony méně zatíženo obavami o jejich bezpečnost. Komáři infikovaní Wolbachií však účinně zavádějí geny do populací, a proto je lze považovat za obdobu genových pohonů . Je možné, že čím více se naučíme využívat tyto přirozeně se vyskytující genové drivery, tím více se sníží naše současné obavy z používání syntetických driverů?

Závěrečné poznámky a budoucí směry

Z jednotlivých příspěvků v tomto čísle vyplývá řada obecných závěrů a slibných cest pro budoucí výzkum. Níže zdůrazňujeme některé z nejvýznamnějších bodů.

Je třeba zvážit nejen technické, ale také etické a společenské aspekty syntetického genového pohonu. Jak tvrdí Ritchie & Staunton a George et al. podpora komunit, kterých se uvolnění genového pohonu týká, je pro jejich úspěšnou realizaci rozhodující. Je naprosto nezbytné, aby při jakémkoli budoucím uvolnění bylo vynaloženo velké úsilí na vysvětlení všech relevantních aspektů projektu a získání podpory místních zainteresovaných stran. Rozruch kolem geneticky modifikovaných plodin ukazuje, jak špatně může dopadnout projekt, který se netěší důvěře veřejnosti. Jediný způsob, jak mohou být tyto potenciálně život zachraňující technologie genového pohonu prakticky užitečné, je dobrý začátek a úspěšné projekty, které získají významnou podporu místních obyvatel. Při arogantním přístupu shora dolů hrozí, že se technologie genového pohonu stanou politicky toxickými a budou po desetiletí nepoužitelné. To by mohlo mít tragické následky pro lidské zdraví, zemědělství a ochranu přírody. Existují však úspěšné příklady , takže tento konzultační přístup může fungovat. Je možné, že z úspěšného využití využití přírodních systémů, jako je Wolbachia, ke snížení přenosu nemocí u komárů, lze vyvodit široké poučení, které lze implementovat i pro nasazení syntetického pohonu?

Klíčem k předvídání dynamiky genového pohonu je pochopení nákladů. Byly učiněny velké pokroky v kvantifikaci potenciálních nákladů genového pohonu v přírodních systémech, jak je uvedeno v tomto zvláštním článku. Náklady na fitness však mohou být obtížně zjistitelné: například zjištění Finnegana a kol. o snížené životaschopnosti spojené s meiotickým pohonem u mouchy stonohé přišlo až po několika předchozích studiích nákladů na fitness u stejného druhu. Zejména je třeba lépe zdokumentovat potenciální náklady pohonu v méně dobře charakterizovaném přirozeném systému pohonu zahrnujícím nemodelové druhy (tj. jiné než mouchy a myši domácí). Nevíme také, zda se tyto náklady v průběhu času mění, jak by předpokládala koevoluční reakce. Například náklady samiček mušek Drosophila simulans na přechovávání kmene Wolbachia Riverside se po pouhých 20 letech koevoluce změnily z počátečních 15-20 % nákladů na plodnost na 10 % výhodu plodnosti . Kvantifikace fitness nákladů pohonu u samců i samic je zásadní pro přesnou předpověď dynamiky pohonu v přírodních populacích (např. ). Subtilní náklady pudu mohou také ovlivnit úspěšnost syntetických pudů. Beaghton et al. také zkoumají transgenerační dopad empiricky prokázaných fitness nákladů, což byl překvapivý objev ve výzkumu syntetických genových pohonů. Je zřejmé, že existuje prostor jak pro lepší zpřesnění stávajících predikčních modelů, tak pro shromáždění více údajů o potenciálních fitness nákladech v systémech syntetických pohonů, aby se zlepšila naše předpověď dynamiky syntetických pohonů v přírodních populacích.

Relativní význam vyvážení nákladů versus potlačení pro úspěch genových pohonů. Klíčem k úspěchu zavádění syntetických genových pohonů pro kontrolu populací je jejich přetrvávání po dostatečně dlouhou dobu, aby se dosáhlo redukce (nebo eliminace) cílové populace. Proto je zásadním cílem oddálení pravděpodobnosti a rychlosti vývoje potlačení. Zdá se však, že perzistence mnoha přirozených systémů genového pohonu závisí spíše na síle vyrovnávací selekce než na evoluci suprese. V současné době nevíme, jaké vlastnosti systému genového pohonu způsobují, že je více či méně pravděpodobné, že bude utvářen vyrovnávací selekcí na rozdíl od suprese. Nevíme také, zda existují nějaké podobnosti mezi starými genovými pohony, u nichž nebyly nalezeny supresory (např. pohon poměru pohlaví u D. pseudoobscura, t haplotyp u myší domácích a dlouhodobé přetrvávání zabíjení samců vyvolané Wolbachií u Drosophila innubila ). Částečně tento nedostatek poznatků vyplývá z omezených znalostí o genu (genech) podílejících se na pohonu, protože mechanismy nejsou u mnoha systémů známy . Nicméně stejně jako v případě pohlavního pudu (např. D. simulans, ) existují příklady systémů zabíjení samců, které vykazují dramatický tok invaze, potlačení, nahrazení a obnovení zabíjení napříč populacemi (např. motýli Hypolimnas bolina ). Srovnání těchto přirozených systémů pohonu může odhalit potenciální vlastnosti, které jsou spojeny s dlouhodobým přetrváváním nepotlačených systémů pohonu a které by snad mohly být zahrnuty do návrhu syntetických pohonů. Existují například potenciální nákladné pleiotropní důsledky potlačení, které jsou prostě příliš velké na to, aby byly překonány? Na druhou stranu je možné, že dlouhodobé přetrvávání nepotlačených systémů je vlastností komplexního systému pohonu zahrnujícího více genů, a proto je nepravděpodobné, že by se v praxi promítl do syntetických ovladačů, protože jsou jednoduše příliš složité na konstrukci. Dosud ani nevíme, zda je přetrvávající genový pohon spojen s několika málo nebo mnoha koevolučními geny. Je zřejmé, že potřebujeme lépe pochopit mechanismy pohonu a potlačování přirozených systémů, než se tyto poznatky promítnou do konstrukce syntetických ovladačů.

Kromě toho existuje několik neprozkoumaných možností genových pohonů.

Souhrnně příspěvky tohoto zvláštního čísla ukazují obrovský potenciál systémů genových pohonů, ale také upozorňují na několik nevyřešených mezer ve znalostech. Zejména širší etické a společenské důsledky využití a uvolnění síly sobeckých genů v přírodních populacích jsou stále teprve na počátku řešení.

Dostupnost dat

Tento článek neobsahuje žádná další data.

Konkurenční zájmy

Prohlašujeme, že nemáme žádné konkurenční zájmy.

Financování

Na tuto studii jsme neobdrželi žádné finanční prostředky.

Poznámky

Jeden příspěvek do speciálního čísla „Přírodní a syntetické systémy genového pohonu“. Guest edited by Nina Wedell, Anna Lindholm and Tom Price.

.