Introduction

Minden szervezetben vannak olyan gének, amelyek megsértik az egyenlő átvitel feltételezését, és ehelyett önző módon növelik gyakoriságukat a következő generációkban (ezt nevezzük drive-nak), a genom egészének kárára. Az ilyen önző gének a genom jelentős részét alkothatják, és számos stratégiát alkalmaznak terjedésük fokozására. Egyes génhajtások átviteli torzítók, amelyek a gametogenezist célozzák, hogy a meiózist követően túlreprezentáltak legyenek a petesejtekben vagy a spermiumokban, ami hatékony átviteli torzulást eredményez. Az ilyen meiotikus meghajtókat közel egy évszázaddal ezelőtt írták le először, és már jellemezték őket növényekben, rovarokban és emlősökben . Ezek lehetnek autoszomálisak (pl. t haplotípus a házi egerekben Mus musculus, amely a hímekről az utódok akár 100%-ára is átöröklődik), vagy kapcsolódhatnak az egyik nemi kromoszómához, ami a nemi arány torzulását eredményezi (pl. SR a legyekben, amely akár 100%-os leánygyermeket okoz). A közelmúltban szintetikus génmeghajtókat fejlesztettek ki, amelyek hasonló eredményeket produkálnak – szinte minden utódra átadják magukat. Ha a szintetikus génmeghajtó rendszerek megépíthetők és beilleszthetők a kártevőpopulációkba, akkor képesek lehetnek gyorsan terjedni, potenciálisan megzavarva egy létfontosságú gén működését, ami a populáció kihalásához vagy a teljes populáció hímneművé alakításához vezethet. Alternatív megoldásként a génhajtás egy géncsomagot is hordozhat, amelynek célja a célpopuláció tartós módosítása. A lehetséges módosítások közé tartozik, hogy a szúnyogok képtelenné válnak a malária átvitelére, vagy növelik a peszticidekkel szembeni sebezhetőségüket.

A génmeghajtó rendszerek felhasználásának lehetőségét a nagy kártevők elleni védekezésben lelkesedéssel és szkepticizmussal egyaránt fogadták. Ezt a megközelítést a rovarok által terjesztett betegségek és a növényi kártevők elleni védekezés forradalmi és hatékony mechanizmusaként dicsérték, mivel rendkívül célzott és potenciálisan sokkal olcsóbb, mint a hagyományos módszerek, például a növényvédő szerek. Azonban számos technikai és etikai akadálya van annak, hogy ezt a technikát vadon élő populációkban is alkalmazzák. Sürgősen meg kell értenünk, hogyan terjednek a természetes hajtásrendszerek a populációkban, ha meg akarjuk jósolni a szintetikus hajtáskibocsátás eredményeit. Az egyik fő akadály az a kockázat, hogy a célpopulációk gyorsan kifejlesztenek egy olyan képességet, amely elnyomja a meghajtórendszert, és így hatástalanná teszi azt, ahogyan azt a természetes meghajtórendszerek esetében is láttuk. Tehát, mennyit tudunk jelenleg a génmeghajtók dinamikájáról?

A különszám terjedelme

Ez a különszám 14 írást tartalmaz, amelyek a természetes és szintetikus génmeghajtók számos állat- és növényfajra vonatkozó aspektusait tárgyalják. Ezeket az alábbiakban három nagy témakörbe csoportosítva mutatjuk be és tárgyaljuk: (i) szintetikus meghajtó rendszerek, (ii) természetes meghajtó rendszerek, és (iii) a génmeghajtók megvalósításának sikere és szélesebb körű etikai megfontolások.

(a) Szintetikus meghajtó rendszerek

A különszám két áttekintéssel kezdődik. Az elsőben Ritchie & Staunton & a génmeghajtás legfejlettebb beavatkozási programjában való 20 éves részvételének tanulságairól elmélkedik: a Wolbachia endoszimbiontának a szúnyogok általi vírusátvitel elnyomására történő felhasználásáról. Megbeszélik a szúnyogok elleni védekezés történetét a peszticidektől kezdve a természetes ellenségeken át a steril hímek szabadon engedéséig, valamint e megközelítések korlátait, amelyek miatt sürgősen hatékonyabb megoldásokra van szükség. Ezután tárgyalják a Wolbachia intracelluláris parazita egy törzsének felfedezését, amely az Aedes aegypti szúnyogokba bejuttatva csökkenti a dengue vírus emberre történő átvitelét. A Wolbachia e törzse citoplazmatikus inkompatibilitás révén terjed a szúnyogpopulációkban: a nem fertőzött nőstények petéi nem termékenyíthetők meg a Wolbachiával fertőzött hímekkel való párosodás során, de a fertőzött nőstények petéit fertőzött és nem fertőzött hímek is megtermékenyíthetik, így a fertőzött nőstények fitneszelőnybe kerülnek. Amióta ezeket a szúnyogokat az ausztráliai Cairnsben szabadon engedték, a város dengue-mentes, így ez az eddigi legsikeresebb génmeghajtásos beavatkozás.

A Barrett és munkatársai által készített második áttekintés a növényekben történő génmeghajtásra összpontosít; egy olyan területre, ahol viszonylag kevés génmeghajtással kapcsolatos munkát végeztek. Összefoglalják a legfontosabb lehetőségeket és kérdéseket, és tárgyalják a szintetikus génmeghajtás felhasználásának stratégiáit a gyomnövények elleni védekezés javítására. Az egyik legfontosabb megközelítés a közvetlen populációelnyomás a célnövényfajok elpusztításával. Azt javasolják azonban, hogy hasznosabb megközelítés lehet a módosítás, amely a gyomfajokat sebezhetőbbé teszi a hagyományos védekezési technikákkal, például a növényvédő szerekkel szemben. A mezőgazdasági felhasználás szempontjából ez óriási lehetőségeket rejt magában, mivel a hajtóanyag pusztító hatását a növényvédő szerek által megcélzott populációkra korlátozza, radikálisan csökkentve a hajtóanyagnak a nem célzott populációkra gyakorolt hatását. Egy másik érdekes felhasználási lehetőség a veszélyeztetett növényfajok túlélésének fokozása azáltal, hogy a veszélyeztetett populációkba specifikus hasznos géneket, például a szárazságtűrő képességet juttatunk. Az áttekintés külön kiemeli a magbankolás kérdését, azaz a magok hosszú távú fennmaradását a talajban. Barrett és munkatársai bemutatják, hogy a magbank lassíthatja a génhajtás terjedését azáltal, hogy a vad típusú magok rezervoárjaként működik. Ez a kérdés nagyrészt csak a növényekre jellemző, bár talán alkalmazható lehet a kriptobiotikus fázisú állatokra, például a tardigrádokra, a fonálférgekre és a cigányférgekre.

Beaghton és munkatársai a génátalakító meghajtásra összpontosítanak, amely a CRISPR/Cas9 megjelenése miatt viszonylag könnyen kivitelezhetővé vált. Ez a fajta meghajtó egy szintetikus nukleáz meghajtót használ, amely önmagát homológ kromoszómákra másolja, lehetővé téve a gyors terjedést a populációkban. Ha a meghajtó megzavar egy, a termékenységgel kapcsolatos kulcsfontosságú gént, terjedése radikálisan csökkentheti a populáció termelékenységét. Ez a cikk a célgének nem funkcionális rezisztenciájának kérdésére összpontosít. A modellezés és gyakorlati kísérletek (pl. Oberhofer et al. ) azt találták, hogy a célzott gén gyorsan felismerhetetlenné válhat a meghajtó számára, ami megakadályozza a génátalakítást, és lehetővé teszi, hogy ez a rezisztens allél fenntartsa a célzott gén funkcionális változatait a populációban. Azonban egy nem értékelt probléma az, hogy a mutációk felismerhetetlen célallélokat is létrehozhatnak anélkül, hogy a célgén funkcióját fenntartanák. Korábban ezt a lehetőséget nagyrészt figyelmen kívül hagyták, mivel a nem funkcionális rezisztens allélok még mindig ahhoz vezetnek, hogy a populációban a gének egyre inkább károsodnak. Itt azonban Beaghton és munkatársai rámutatnak, hogy a meghajtó mechanizmusnak jellemzően ára van. A nem funkcionális rezisztens allélok nem viselik a meghajtás költségeit, és immunisak a génátalakításra, így potenciálisan elterjedhetnek a meghajtást tartalmazó populációkban, csökkentve a meghajtó terjedését. Ez jól illusztrálja, hogy mennyire fontos, hogy a modellezés és az empirikus munka szorosan tájékoztassa egymást a szintetikus meghajtók tervezése és használata során.

A következő, Holman által írt tanulmány szintén a génmeghajtás egy érdekes, de még nem vizsgált területét modellezi, a szintetikus meiotikus meghajtók lehetséges használatát a ZW nemi meghatározó rendszerrel rendelkező fajokban. Az olyan ZW szervezeteknél, mint a pillangók és a madarak, a nőstények heterozigóta nemi kromoszómákkal rendelkeznek. A modell azt sugallja, hogy a W-reszkető Z kromoszóma meghajtók, amelyeknek a nőstény hordozói csak fiúgyermekeket hoznak létre, rendkívül gyorsan elterjedhetnek, ha a rezisztencia evolúciója elkerülhető. Ez a modell jelentős előrelépést jelent a még felderítetlen ZW kártevőfajok, köztük a skisztoszomíiát okozó trematódák és a súlyos lepkekabóca mezőgazdasági kártevők génhajtásainak kifejlesztésében.

A szintetikus génhajtás természetvédelmi intézkedésként történő felhasználása iránt is komoly érdeklődés mutatkozik az olyan invazív fajok, mint a patkányok és egerek megfékezésére, amelyek számos veszélyeztetett endemikus madár-, emlős- és gyíkpopuláció súlyos csökkenését okozták. Godwin és munkatársai áttekintik a génmeghajtások alkalmazásának lehetőségeit a rágcsálók kártevő populációinak ellenőrzésére. Figyelembe veszik a javasolt CRISPR-alapú homológia-irányított javítási meghajtórendszereket (amelyek még nem működnek megbízhatóan egerekben ), valamint egy széles körben elterjedt ősi házi egér meghajtórendszer, a t haplotípus nemi arány meghajtóvá történő módosítását. Egy olyan ősi meghajtó rendszer, amelyben még nem találtak szupresszorokat, átvételének előnye, hogy a rezisztencia gyors evolúciója kevésbé jelenthet problémát. Manser és munkatársai tovább vizsgálják ezt a t haplotípuson alapuló szintetikus meghajtót, amely fejlesztés alatt áll. A t haplotípus egy autoszomális spermiumölő driver, amely manipulálja a spermiumokat, így egy heterozigóta hímtől származó majdnem minden utód örökli a t haplotípust. A t-Sry projekt célja, hogy az emlősök kulcsfontosságú Sry nemi meghatározó génjét az egér Y kromoszómájáról átvegyék és beillesszék a 17. kromoszómán lévő t haplotípusba, így létrehozva a “t-Sry” autoszomális génhajtót, amely minden egyedet, amely ezt örökli, hímneművé változtat. Az ötlet az, hogy a t-Sry-t bevigyék a szigeti egérpestis-populációkba, ezáltal az egész populációt hímneművé változtatva és teljesen kiiktatva azt. Manser és munkatársai a t-Sry rendszer populációdinamikáját vizsgálják. A t-Sry olyan szigetekre történő bevezetését modellezik, ahol a nőstény egereknél a poliandria (többszörös párzás) aránya változó. Mivel a t haplotípus károsítja a spermiumokat, a hordozók rosszul járnak, ha a nőstények, akikkel párosodnak, olyan vad típusú hímekkel is párosodnak, akiknek a spermiumai nem károsodtak. Manser modelljei azt sugallják, hogy a magas poliandriai arányú populációk megnehezítik a t-Sry elterjedését, ami nagyobb erőkifejtést igényel. Mivel a poliandria széles körben elterjedt a természetben , ezek az eredmények más, a hímek spermiumainak versenyképességét csökkentő meghajtórendszerek esetében is relevánsak lehetnek.

Godwin és munkatársai rávilágítanak néhány kulcsfontosságú biológiai, szabályozási és biztonsági kihívásra a génmeghajtók egerekben való alkalmazásával kapcsolatban. A célzott szigeti rágcsálópopulációk biológiája, ökológiája és viselkedése továbbra is kevéssé ismert. Legalább ilyen fontos, hogy Ritchie & Staunton és George et al. után ők is hangsúlyozzák, mennyire fontos, hogy a szabályozási keretek lépést tartsanak a génmeghajtók kutatásának ütemével, és mennyire létfontosságú annak biztosítása, hogy az érintett közösségekkel és érdekeltekkel konzultáljanak, tájékoztassák őket, és jelentős szerepet kapjanak a génmeghajtók alkalmazásával kapcsolatos döntésekben.

(b) Természetes meghajtó rendszerek

A szintetikus meghajtó rendszerek kockázatainak és előnyeinek értékeléséhez elengedhetetlen annak megértése, hogy a természetben valószínűleg hogyan terjednek a szintetikus meghajtó rendszerek, mielőtt bármilyen kibocsátás történne. Szerencsére a természetes hajtásrendszerek tanulmányozása az elmúlt évszázadban jelentős elméleti és empirikus betekintést nyújtott a hajtások működésébe és terjedésébe. Egészen a közelmúltig nem állt rendelkezésünkre elegendő adat a természetes hajtóanyagok fitneszköltségeiről ahhoz, hogy a természetben való elterjedésükről olyan modelleket alkothassunk, amelyek jól illeszkednek a vadon élő populációkban megfigyelt hajtóanyagfrekvenciákhoz.

Ez a különszám négy tanulmány a hím meiotikus hajtóanyagokkal kapcsolatos fitneszköltségekről számol be. Ezek a driverek a spermiumok fejlődése során úgy hatnak, hogy kiiktatják a konkurenciájukat, nevezetesen a nem drivereket hordozó spermiumokat, ami elősegíti a saját átvitelüket. Finnegan et al. , Larner et al. , Dyer & Hall és Lea & Unckless mérte a hímek és nőstények fajspecifikus meiotikus driverükhöz kapcsolódó fitneszköltségeit Teleopsis dalmanni szárnyaslegyben, Drosophila pseudoobscura gyümölcslégyben, Drosophila recensben, illetve Drosophila melanogasterben, Drosophila affinisben és Drosophila neotestaceában. Ezek a fitneszköltségek a petéből a felnőtté válásig tartó életképesség csökkenésében, a nőstények csökkent utódtermelésében és a spermiumok versengési sikerének csökkenésében nyilvánulnak meg. A fitneszköltségek azonban tulajdonságspecifikusak. Lea & Unckless nem talált a hím meiotikus hajtással összefüggő csökkent immunfunkciót, és Dyer & Hall nem talált hatást a nőstények párzási preferenciáira vagy a hosszú életre. Larner et al. és Dyer & Hall ezután a számszerűsített fitneszköltségeket a populációgenetikai modellek paraméterezéséhez használták, hogy megjósolják az egyensúlyi frekvenciákat a természetben. Ezek a megjósolt gyakoriságok közel kerültek a megfigyelt gyakoriságokhoz. Ez fontos lépés a természetes hajtórendszerek dinamikájának megértésében, és bár a részletek rendszerenként eltérőek lesznek, ezek a tanulmányok együttesen szélesítik a természetben előforduló potenciális fitneszköltségek megbecsülését. Az ebben a négy tanulmányban vizsgált hajtórendszerek nagy kromoszóma-átrendeződésekben rejlenek, amelyek megakadályozzák, hogy a rekombináció feldarabolja a kritikus hajtóelemeket . Továbbra is ismeretlen, hogy ezek a fitneszköltségek mennyiben keletkeznek kizárólag a csökkent rekombináció következményeként, ami lehetővé teszi a káros mutációk felhalmozódását, vagy maguknak a meghajtóknak a pleiotróp hatásai.

A fitneszköltségek a meghajtók genetikai szupresszorainak evolúcióját is szelektálják. A szupresszorok a legtöbb Drosophila meghajtórendszerben jelen vannak, a D. pseudoobscurában azonban nem. Price és munkatársai megvizsgálják, hogy ez miért lehet így. A vadonban megfigyelt alacsony, stabil hajtásfrekvenciák az SR hímek gyenge spermakompetitív képességének és a homozigóta SR nőstények költségeinek együttes hatásából eredő fitneszköltségekkel magyarázhatók. Ezek a meghajtó dinamikát befolyásoló fitneszköltségek azonban még mindig azt jelentik, hogy a meghajtás elnyomásának evolúciója előnyös lenne. A szupresszorok hiánya ezért rejtélyes. Ez a Drosophila meghajtórendszer legalább több százezer évig fennmaradt a természetben , ami Price et al. arra a kérdésre késztette, hogy az ősi meghajtórendszerek evolúciósan különbözhetnek-e a fiatalabbaktól. Az e meghajtórendszer alapjául szolgáló mechanizmusok felfedezése segítene tisztázni, hogy vannak-e olyan különleges genetikai korlátok, amelyek kevésbé valószínűvé teszik a szuppresszió evolúcióját, és hogy ezek közösek-e más ősi rendszerekkel, amelyekben szintén nem alakult ki genetikai szuppresszió .

A természetes meghajtórendszerek genetikai felépítésének megértése tehát fontos a hatásuk és a meghajtók evolúciójának megértéséhez, de segíthet a szintetikus meghajtók tervezésében is. A homing endonukleáz meghajtó rendszereket élesztőben és baktériumokban írták le, később pedig szintetikus homing endonukleáz meghajtó rendszereket inspiráltak . A Drosophila suzukii növénykártevő számára kifejlesztett szintetikus Medea meghajtó a Tribolium lisztbogárból ismert azonos nevű természetes meghajtórendszerből merített ihletet. A szúnyogok szintetikus X kromoszóma-aprítóinak kifejlesztését megelőzte egy természetes X kromoszóma-aprító felfedezése a szúnyogokban , és a házi egerekben kifejlesztés alatt álló szintetikus nemi arány torzító közvetlenül a t haplotípus módosításán alapul. Courret és munkatársai áttekintik a Drosophila 19 ismert meghajtójának eredetét és mechanizmusát, megmutatva, hogy a jól jellemzett rendszerek szinte mindegyike génduplikációkból fejlődik ki, és heterokromatin-szabályozással, kis RNS-sel és/vagy nukleáris transzportutakkal kapcsolatos. E rendszerek működésének feltárását megnehezíti az inverziókkal, heterokromatinnal és episztatikus kölcsönhatásokkal való kapcsolatuk.

A génexpressziós vizsgálatok segíthetnek azonosítani a meghajtórendszerek elemeinek működését. A Lindholm et al. tanulmányban a házi egér t haplotípusának transzkriptomját elemzik. A t haplotípus egy példányának hordozása elsősorban a spermatogenezis génjeinek kifejeződését változtatta meg a herében, mind a t haplotípusra leképeződő génekét, de a genom többi részén lévő gének nagyobb számában is. Hogy ezeket a transzgénszabályozó hatásokat transzkripciós faktorok, nem kódoló RNS, kromatinmódosítás vagy más folyamatok érik-e el, jelenleg nem ismert. Más szövetekben kevesebb eltérés mutatkozott, és ezek főként a t haplotípusra lokalizálódtak. Ez a vizsgálat arra utal, hogy a driver finomszintű alkalmazkodása a genom többi részéhez vagy kiterjedt koadaptáció zajlik közöttük. Elvárható-e, hogy a szintetikus meghajtók hasonló mintázatot mutassanak?

(c) A megvalósítás sikere és a génmeghajtás szélesebb körű etikai megfontolásai

Sok vita folyt a génmeghajtók hasznosításának kockázatairól és előnyeiről, mint a kártevő- és vektorpopulációk vadonban történő szabályozásának és visszaszorításának eszközéről – különösen a maláriát terjesztő szúnyogok esetében. A génmeghajtásokat az invazív fajok, például a szigeteken élő rágcsálók szabályozásának hatékony és humánus eszközeként is javasolták (lásd még Godwin et al. ; Manser et al. ebben a számban). A potenciális előnyök lenyűgözőek: csökken a rovarok által terjesztett betegségek kockázata, és csökken a peszticidektől való függőség, a kapcsolódó káros mellékhatásokkal együtt (mint például a bioakkumuláció az emberi táplálékban vagy a nem célzott vadon élő állatok mérgezése). Emellett a peszticidek alkalmazásának növekvő költségei is fennállnak a rezisztencia elkerülhetetlen kialakulása és a betegség rezisztens vektorok általi terjedésének folyamatos kockázata miatt. A szintetikus génmeghajtások használata is jelentős kockázatokkal jár. Az egyik kockázat a génmeghajtások átterjedése a nem célzott populációkra és fajokra. Annak ellenére, hogy a génmeghajtók fajok közötti átvitelének kicsi a valószínűsége, az Egyesült Államok Nemzeti Tudományos Akadémiája jelenleg azt ajánlja, hogy a horizontális génátvitel kockázatát értékelni kell, mielőtt a génmeghajtók környezeti kibocsátását fontolóra vennék. A génmeghajtók nem célfajokat érintő közvetlen kockázatai mellett fontos felmérni a célpopuláció vagy -faj eltávolításának vagy megváltoztatásának a tágabb ökoszisztémára gyakorolt tágabb következményeit is.

A technológia körüli vita részben a természetes, pláne a szintetikus génmeghajtókkal kapcsolatos elégtelen ismeretekből fakad. Egyetértés mutatkozik abban, hogy jelenleg nem lehet felmérni, hogy az előnyök felülmúlják-e a kockázatokat, de ez nem jelenti azt, hogy a génmeghajtást alkalmazó kutatásokat és kísérleteket be kellene tiltani. A Royal Society például azt ajánlja az Egyesült Nemzetek Szervezetének (ENSZ) a biológiai sokféleségről szóló egyezményéhez (CBD), hogy ne fogadjanak el olyan álláspontot, amely támogatná a génmeghajtási kutatásra vonatkozó nemzetközi moratóriumot, beleértve a kísérleti szabadföldi kísérleteket is, és ezt az álláspontot az ENSZ CBD tavaly novemberi ülésén is megismételték. A moratóriumot végül elutasították. Az ellenvetés részben azért merült fel, mert ha a génmeghajtások kutatását betiltanák, az káros következményekkel járna, mert ezzel tulajdonképpen kizárnának minden szélesebb körű nyilvános vitát, mielőtt még meghatároznánk a potenciális kockázatot, és ezért értékelnénk, hogyan használhatnánk biztonságosan ezt a technológiát.

A moratóriumot azonban átfogalmazták, hogy hangsúlyozzák a potenciálisan érintett helyi közösségekkel és őslakos csoportokkal való konzultáció szükségességét, mielőtt egy esetleges kibocsátást fontolóra vennének, visszhangozva George et al. és Ritchie & Stanton ajánlásait ebben a számban. Általánosságban elmondható, hogy a génmeghajtók bármely lehetséges jövőbeli alkalmazását nyilvános vitának kell megelőznie a génmeghajtók használatának az alternatív megoldásokkal összehasonlított relatív vonzerejéről. Nagy hangsúlyt fektettek annak biztosítására, hogy a jövőbeni kutatásokat megfelelően szabályozzák, hogy a biológiai biztonság és a nemkívánatos ökológiai és egészségügyi hatások figyelembevétele mellett számos szélesebb társadalmi hatást is figyelembe vegyenek . Ezt a konzultatív megközelítést hangsúlyozza George és munkatársai hozzájárulása, akik a géntechnológiával előállított génmeghajtók természetbe történő kibocsátásának etikai megfontolásaival kapcsolatos összetett kérdésekre is rávilágítanak. A megfelelő közvélemény és politikai bizalom biztosításának fontosságát Ritchie & Staunton is hangsúlyozza, aki szerint ez kulcsfontosságú a szélesebb körű elterjedés biztosításához. E megközelítés sikerét példázza a Target Malaria (targetmalaria.org/who-we-are/), egy nonprofit kutatói konzorcium által végzett munka, amelynek célja a malária elleni védekezésre szolgáló technológia kifejlesztése és megosztása. A konzorciumban tudósok, az érdekelt felek bevonásával foglalkozó csoportok, kockázatértékelési szakemberek és szabályozási szakértők vesznek részt Afrikából, Észak-Amerikából és Európából, és etikai tanácsadó bizottság is működik benne.

A természetben előforduló endoszimbiontákat, például a Wolbachia-t, a szúnyogok betegségátvitelének megzavarására használva, eddig egyetlen szintetikus génmeghajtót sem engedtek ki vadon élő populációba. Az Egyesült Államok Mezőgazdasági Minisztériuma kizárta a génszerkesztett növényeket a szabályozási felügyelet alól, így ez még változhat. Az ausztrál kormány szintén nemrégiben döntött úgy, hogy nem szabályozza az olyan génszerkesztési technikák alkalmazását, amelyek nem visznek be új genetikai anyagot a szervezetbe, de növelni fogja a génmeghajtási kísérletekre vonatkozó felügyeleti követelményeket. Ezzel szemben az Európai Unió Bírósága úgy döntött, hogy a génszerkesztett növényeket genetikailag módosított szervezetként kell kezelni, amelyekre szigorú szabályozás vonatkozik. Nyilvánvaló, hogy nincs globális konszenzus.

A “biológiai” védekezési intézkedések, mint például a Wolbachia endoszimbionta alkalmazása, amely az A. aegypti szúnyogokba juttatva elnyomja a dengue, a Zika és a chikungunya vírusok terjedését, már kiterjedt helyszíni kísérleteket folytatott Ausztráliában és máshol . A citoplazmásan indukált hímsterilitás első sikeres alkalmazását a Culex szúnyogok ellenőrzésére Burmában végezték el több mint 50 évvel ezelőtt , és jelenleg több nagyszabású kísérleti kibocsátás van folyamatban a wMel módosított Aedes szúnyogokkal (World Mosquito Program: http://www.eliminatedengue.com/our-research/wolbachia). Sikeres alkalmazásuk erős közösségi és politikai támogatáson múlik (pl. a sikeres World Mosquito Program, amelynek célja a dengue felszámolása), mivel e nélkül valószínűleg kudarcot vallanak, mint ahogyan a támogatás hiányában több jóváhagyott kísérlet esetében is . Figyelemre méltó, hogy a természetben előforduló ágensek, például a Wolbachia (amely a citoplazmatikus inkompatibilitás kiváltásával hatékony sterilizációt okozhat) használata a szintetikus génmeghajtásokhoz képest kevésbé tűnik aggályosnak a biztonságosságukkal kapcsolatban. A Wolbachia-fertőzött szúnyogok azonban hatékonyan vezetnek géneket a populációkba, és ezért a génmeghajtókkal analógnak tekinthetők. Lehetséges, hogy minél többet tudunk meg ezekről a természetben előforduló génmeghajtókról, annál inkább csökken a szintetikus génmeghajtók használatával kapcsolatos jelenlegi aggodalmunk?

Záró megjegyzések és jövőbeli irányok

A jelen számban szereplő egyes hozzászólásokból számos általános következtetés és a jövőbeli kutatás ígéretes útjai rajzolódnak ki. Az alábbiakban kiemelünk néhányat a legfontosabbak közül.

Nem csak a technikai, hanem az etikai és társadalmi vonatkozásait is figyelembe kell vennünk a szintetikus génmeghajtásnak. Ahogy Ritchie & Staunton és George et al. érvelnek, a génmeghajtás kibocsátása által érintett közösségek támogatása kritikus fontosságú a sikeres megvalósításhoz. Elengedhetetlen, hogy a jövőbeni kibocsátáskor komoly erőfeszítéseket tegyenek a projekt minden lényeges szempontjának ismertetésére és a helyi érdekeltek támogatásának elnyerésére. A géntechnológiával módosított növényekkel kapcsolatos felháborodás jól példázza, hogy mennyire rosszul sülhet el egy projekt, ha nem élvezi a közvélemény bizalmát. Ezek a potenciálisan életmentő génmeghajtási technológiák csak akkor lehetnek gyakorlatilag hasznosak, ha jól indulnak, és sikeres projektekkel, amelyek jelentős helyi támogatást szereznek. A felülről lefelé irányuló arrogáns megközelítés azt kockáztatja, hogy a génmeghajtási technológiák politikailag mérgezővé válnak, és évtizedekre használhatatlanná válnak. Ez potenciálisan tragikus lenne az emberi egészség, a mezőgazdaság és a természetvédelem szempontjából. Vannak azonban sikertörténetek, tehát ez a konzultatív megközelítés működhet. Lehetséges, hogy a természetes rendszerek – mint például a Wolbachia – sikeres felhasználásából a betegségek szúnyogoknál történő terjedésének csökkentésére levonhatók olyan általános tanulságok, amelyek a szintetikus meghajtás alkalmazásakor is alkalmazhatóak?

A költségek megértése kulcsfontosságú a génmeghajtás dinamikájának előrejelzéséhez. Nagy előrelépések történtek a természetes rendszerekben a génmeghajtás lehetséges költségeinek számszerűsítése terén, amint arról ebben a különszámban beszámolunk. A fitneszköltségeket azonban nehéz lehet megtalálni: például a Finnegan és munkatársai által talált, a meiotikus meghajtással összefüggő csökkent életképességre vonatkozó eredményt a szárnyas legyeknél több korábbi, ugyanezen faj fitneszköltségekre vonatkozó tanulmány után találták meg. Különösen a nem modellfajokat (azaz a legyeken és a házi egereken kívül más fajokat) érintő, kevésbé jól jellemzett természetes hajtásrendszerekben kell jobban dokumentálnunk a hajtás potenciális költségeit. Azt sem tudjuk, hogy ezek a költségek idővel módosulnak-e, ahogy azt a koevolúciós válasz előrevetítené. Például a Drosophila simulans nőstény legyek számára a Wolbachia Riverside törzs hordozásának költsége a kezdeti 15-20%-os termékenységi költségről 10%-os termékenységi előnyre változott mindössze 20 év koevolúció után. A hímek és nőstények esetében egyaránt létfontosságú a hajtás fitneszköltségeinek számszerűsítése ahhoz, hogy pontosan meg lehessen jósolni a hajtás dinamikáját a természetes populációkban (pl. ). A hajtás finom költségei is befolyásolhatják a szintetikus hajtások sikerét. Beaghton és munkatársai az empirikusan kimutatott fitneszköltségek transzgenerációs hatását is vizsgálják, ami meglepő felfedezés volt a szintetikus génhajtások kutatásában. Egyértelműen lehetőség van mind a meglévő előrejelző modellek jobb finomítására, mind a szintetikus meghajtórendszerek potenciális fitneszköltségeire vonatkozó adatok felhalmozására, hogy javítsuk a szintetikus meghajtók dinamikájának előrejelzését a természetes populációkban.

A költségek és az elnyomás egyensúlyának relatív fontossága a génmeghajtás sikeréhez. A szintetikus génhajtások populációszabályozás céljából történő alkalmazásának sikere szempontjából kulcsfontosságú, hogy elegendő ideig fennmaradjanak ahhoz, hogy elérjék a célpopuláció csökkenését (vagy eliminációját). Ezért a szuppresszió kialakulásának valószínűségének és sebességének késleltetése alapvető cél. Úgy tűnik azonban, hogy számos természetes génmeghajtó rendszer fennmaradása inkább a kiegyenlítő szelekció erősségétől, mint a szuppresszió evolúciójától függ. Jelenleg nem tudjuk, hogy egy génmeghajtó rendszer milyen jellemzői teszik valószínűbbé vagy kevésbé valószínűvé, hogy azt a kiegyenlítő szelekció alakítja, szemben a szuppresszióval. Azt sem tudjuk, hogy vannak-e hasonlóságok olyan ősi génhajtások között, amelyekben nem találtak elnyomókat (pl. a D. pseudoobscura nemi arány hajtása, a t haplotípus a házi egerekben és a Wolbachia által kiváltott hímpusztulás hosszú távú fennmaradása a Drosophila innubilában ). Részben ez a betekintés hiánya abból fakad, hogy a hajtásban részt vevő gén(ek)re vonatkozó ismeretek korlátozottak, mivel a mechanizmusok sok rendszer esetében nem ismertek . Azonban, csakúgy, mint a nemi arányok meghajtására (pl. D. simulans, ), vannak példák arra, hogy a hímölő rendszerek a hímölés drámai fluxusát mutatják az invázió, a visszaszorítás, a csere és az újraéledő hímölés populációkon keresztül (pl. Hypolimnas bolina lepkék ). Az ilyen természetes meghajtórendszerek összehasonlítása feltárhatja azokat a potenciális jellemzőket, amelyek az el nem nyomott meghajtórendszerek hosszú távú fennmaradásához kapcsolódnak, és amelyeket talán be lehetne építeni a szintetikus meghajtók tervezésébe. Például, vannak-e olyan potenciálisan költséges pleiotróp következményei az elnyomásnak, amelyek egyszerűen túl nagyok ahhoz, hogy leküzdjék őket? Másrészt lehetséges, hogy az el nem nyomott rendszerek hosszú távú fennmaradása egy több gént magában foglaló összetett meghajtórendszer jellemzője, és ezért nem valószínű, hogy a gyakorlatban átültethető szintetikus meghajtókra, mivel egyszerűen túl bonyolult a konstrukciójuk. A mai napig még azt sem tudjuk, hogy a tartós génhajtás néhány vagy sok együttfejlődő génhez kapcsolódik. Egyértelműen jobban meg kell értenünk a természetes rendszerek meghajtásának és elnyomásának mechanizmusait, mielőtt ezeket a felismeréseket átültethetnénk a szintetikus meghajtók tervezésébe.

A génmeghajtásoknak emellett számos feltáratlan lehetősége van.

Az e különszámban foglaltak összességében a génmeghajtási rendszerekben rejlő óriási lehetőségeket mutatják, ugyanakkor számos fennálló tudásbeli hiányosságra is rávilágítanak. Különösen az önző gének erejének a természetes populációkban való hasznosítása és felszabadítása szélesebb körű etikai és társadalmi következményeinek vizsgálata még mindig csak a kezdeti szakaszban van.

Adatok hozzáférhetősége

Ez a cikk nem tartalmaz további adatokat.

Kompetitív érdekek

Kijelentjük, hogy nincsenek konkurens érdekeink.

Finanszírozás

Ezért a tanulmányért nem kaptunk támogatást.

Lábjegyzetek

Egy hozzájárulás a “Natural and synthetic gene drive systems” című különszámhoz. Vendégszerkesztők: Nina Wedell, Anna Lindholm és Tom Price.