Introduktion

Alla organismer har en mängd olika gener som bryter mot antagandet om jämn överföring och som i stället själviskt ökar sin frekvens i efterföljande generationer (så kallad drive) på bekostnad av genomet som helhet. Sådana själviska gener kan utgöra en betydande andel av genomet och uppvisar en rad olika strategier för att öka sin spridning . Vissa genmotorer är överföringsförvrängare som är inriktade på gametogenes för att se till att de är överrepresenterade i ägg eller spermier efter meiosen, vilket resulterar i en effektiv överföringsförvrängning. Sådana meiotiska drivkrafter beskrevs för första gången för nästan hundra år sedan och har karakteriserats hos växter, insekter och däggdjur . De kan vara autosomala (t.ex. t haplotyp hos husmöss Mus musculus, som överförs från hanar till upp till 100 % av avkomman) eller kopplade till en av könskromosomerna, vilket leder till en snedvridning av könskvoten (t.ex. SR hos flugor, som leder till upp till 100 % döttrar). Syntetiska genmotorer har nyligen utvecklats som ger liknande resultat – de överför sig själva till nästan alla avkommor. Om syntetiska gendrivningssystem kan konstrueras och införas i skadedjurspopulationer kan de snabbt spridas och eventuellt störa funktionen hos en livsviktig gen, vilket kan leda till att populationen dör ut eller att hela populationen omvandlas till hanar . Alternativt kan gendrivningen bära med sig ett paket av gener som syftar till att permanent förändra målpopulationen. Möjliga modifieringar är att göra myggor oförmögna att överföra malaria eller öka deras sårbarhet för bekämpningsmedel.

Potentialen för att utnyttja gentrivningssystem för kontroll av stora skadedjur har tagits emot med både entusiasm och skepsis. Detta tillvägagångssätt har hyllats som en revolutionerande och effektiv mekanism för att bekämpa insektsburna sjukdomar och skadegörare i grödor, eftersom det är mycket målinriktat och potentiellt mycket billigare än konventionella metoder, t.ex. bekämpningsmedel . Det finns dock en rad olika hinder, både tekniska och etiska, för att genomföra denna teknik i vilda populationer. Vi måste snarast förstå hur naturliga drivsystem sprids i populationer om vi ska kunna förutsäga resultaten av utsättning av syntetiska drivsystem. Ett viktigt hinder är risken för att målpopulationerna snabbt kommer att utveckla en förmåga att undertrycka drivsystemet, vilket gör det ineffektivt, vilket man har sett för naturliga drivsystem . Så hur mycket vet vi för närvarande om dynamiken hos gendrivare?

Specialnumrets omfattning

Detta specialnummer består av 14 bidrag som täcker ett brett spektrum av aspekter av naturliga och syntetiska gendrivare hos en rad djur- och växtarter. Vi presenterar och diskuterar dessa nedan grupperade i tre breda ämnen: (i) syntetiska drivsystem, (ii) naturliga drivsystem och (iii) framgångsrik implementering och bredare etiska överväganden av gendrivningar.

(a) Syntetiska drivsystem

Det särskilda temaarbetet inleds med två översikter. Den första, Ritchie & Staunton , reflekterar över de lärdomar man kan dra av 20 års engagemang i det mest avancerade programmet för ingrepp med genmotorer: användningen av endosymbionten Wolbachia för att undertrycka virusöverföring hos myggor. De diskuterar historien om myggbekämpning, från bekämpningsmedel till naturliga fiender och utsättning av sterila hanar, och begränsningarna i dessa metoder som har lett till det brådskande behovet av effektivare lösningar. Därefter diskuterar de upptäckten av en stam av den intracellulära parasiten Wolbachia, som när den förs in i Aedes aegypti-myggor minskar överföringen av denguevirus till människor. Denna stam av Wolbachia sprids i myggpopulationer genom cytoplasmatisk inkompatibilitet: ägg från oinfekterade honor kan inte befruktas i parningar med hanar som är infekterade med Wolbachia, men ägg från infekterade honor kan befruktas av både infekterade och oinfekterade hanar, vilket ger de infekterade honorna en fitnessfördel. Sedan dessa myggor släpptes ut i Cairns, Australien, har staden varit denguefri, vilket gör detta till den hittills mest framgångsrika ingreppet med gendrivning.

Den andra översikten, av Barrett et al. , fokuserar på gendrivning i växter; ett område där relativt lite arbete med gendrivning har utförts. De sammanfattar många av de viktigaste möjligheterna och frågorna och diskuterar strategier för att använda syntetisk gendrivning för att förbättra kontrollen av ogräs. Ett viktigt tillvägagångssätt är att direkt undertrycka populationen genom att döda målväxtarter. De föreslår dock att ett mer användbart tillvägagångssätt kan vara modifiering, vilket gör ogräsarter mer sårbara för traditionella bekämpningstekniker, t.ex. bekämpningsmedel. För jordbruksändamål har detta en enorm potential, eftersom det begränsar drivkraftens dödande effekt till populationer som bekämpningsmedel riktar in sig på, vilket radikalt minskar drivkraftens eventuella inverkan på icke-målpopulationer. En annan intressant användning är att öka överlevnaden hos hotade växtarter genom att driva in specifika användbara gener, t.ex. torktolerans, i sårbara populationer. I granskningen betonas särskilt frågan om fröbankning, dvs. den långvariga kvarlevnaden av frön i jorden. Barrett et al. visar att fröbanken kan bromsa spridningen av gendrivning genom att fungera som en reservoar för frön av vildtyp. Denna fråga är till stor del unik för växter, även om den kanske skulle kunna tillämpas på djur med kryptobiotiska faser, t.ex. tardigrader, nematoder och rotiferer.

Beaghton et al. fokuserar på genomvandlingsdrivning, som har blivit relativt lätt att konstruera på grund av tillkomsten av CRISPR/Cas9. Denna typ av drivning använder en syntetisk nukleasdrivare som kopierar sig själv till homologa kromosomer, vilket gör att den snabbt kan spridas i populationer. Om drivkraften stör en nyckelgen som är relaterad till fertilitet kan spridningen radikalt minska befolkningens produktivitet. Den här artikeln fokuserar på frågan om icke-funktionell resistens vid målgener. Modellering och praktiska experiment (t.ex. Oberhofer et al. ) har visat att målgenen snabbt kan utvecklas till att bli oigenkännlig för drivkraften, vilket förhindrar genomvandling och gör att denna resistenta allel kan behålla funktionella versioner av målgenen i populationen. Ett obeaktat problem är dock att mutationer också kan skapa oigenkännliga målalleler utan att funktionen i målgenen bibehålls. Tidigare har denna möjlighet till stor del förbisetts, eftersom icke-funktionella resistenta alleler ändå leder till att generna i populationen blir alltmer skadade. Här påpekar dock Beaghton et al. att det vanligtvis finns en kostnad för drivmekanismen. Icke-funktionella resistenta alleler bär inte kostnaden för drivkraften och är immuna mot genomvandling, så de kan potentiellt spridas genom populationer som innehåller drivkraften, vilket minskar spridningen av drivkraften. Detta är en utmärkt illustration av hur viktigt det är att modellering och empiriskt arbete nära informerar varandra under utformningen och användningen av en syntetisk drivkraft.

Nästa artikel, av Holman , modellerar också ett intressant men outforskat område för gendrivning, nämligen den potentiella användningen av syntetiska meiotiska drivkrafter i arter med ZW-könsbestämningssystem. I ZW-organismer som fjärilar och fåglar har honorna de heterozygota könskromosomerna. Modellen tyder på att W-strykande Z-kromosomdrivare, vars kvinnliga bärare endast producerar söner, bör spridas extremt snabbt om utvecklingen av resistens kan undvikas. Denna modell är ett stort steg framåt i utvecklingen av gendrivare för outforskade ZW-skadedjursarter, inklusive trematoderna som orsakar schistosomiasis och allvarliga jordbruksskadedjur av Lepidopteran-typ.

Det finns också ett verkligt intresse för att använda syntetiska gendrivare som en bevarandeåtgärd för att kontrollera invasiva arter som råttor och möss, som har orsakat en allvarlig tillbakagång för många sårbara endemiska fågel-, däggdjurs- och ödlepopulationer. Godwin et al. granskar möjligheterna att använda gene drives för att kontrollera skadedjurspopulationer av gnagare. De tar hänsyn till föreslagna CRISPR-baserade drivsystem för homologiskt riktade reparationer (som ännu inte har fungerat på ett robust sätt hos möss) och även till modifieringen av ett utbrett gammalt drivsystem för husmöss, t-haplotypen, till ett drivsystem för könskvotering. En fördel med att använda ett gammalt drivsystem, där man inte har hittat suppressorer, är att en snabb utveckling av resistens kan vara ett mindre problem. Manser et al. utforskar ytterligare denna t haplotyp-baserade syntetiska drivkraft, som är under utveckling. T-haplotypen är en autosomal spermadödande drivrutin som manipulerar spermier, så att nästan all avkomma från en heterozygot hane ärver t-haplotypen. Syftet med t-Sry-projektet är att ta den viktigaste könsbestämningsgenen för däggdjur, Sry, från musens Y-kromosom och sätta in den på t-haplotypen på kromosom 17, och på så sätt skapa ”t-Sry”, en autosomal gendrivare som gör att alla individer som ärver den blir hanar. Tanken är att införa t-Sry i populationer av ö-möss som är skadedjur och på så sätt göra hela populationen till hanar och utrota den helt och hållet. Manser et al. undersöker t-Sry-systemets populationsdynamik. De modellerar introduktioner av t-Sry på öar där mushonor har varierande grad av polyandri (flera parningar). Eftersom t haplotypen skadar spermier har bärarna dålig framgång när de honor de parar sig med också parar sig med vildtypshannar med oskadade spermier. Mansers modeller tyder på att populationer med hög grad av polyandri kommer att göra det svårare för t-Sry att sprida sig, vilket kräver större utsättningsinsatser. Eftersom polyandri är utbrett i naturen kan dessa resultat också vara relevanta för andra drivsystem som minskar hanarnas spermiekompetens.

Godwin et al. lyfter fram några viktiga biologiska, regulatoriska och säkerhetsmässiga utmaningar när det gäller att använda gendrivning i möss. Biologin, ekologin och beteendet hos målpopulationer av gnagare på öar är fortfarande dåligt kända. Minst lika viktigt är att de följer Ritchie & Staunton och George et al. genom att betona hur avgörande det kommer att vara för regelverken att hålla jämna steg med takten i forskningen om gendrivningar, och hur viktigt det är att se till att de samhällen och intressenter som berörs rådfrågas, informeras och får en viktig roll i alla beslut om utplacering av drivningar.

(b) Naturliga drivningssystem

Förståelse av hur syntetiska drivningssystem troligen sprider sig i naturen, innan de släpps ut, är avgörande för att bedöma risker och fördelar med syntetiska drivningar. Lyckligtvis har studiet av naturliga drivsystem under det senaste århundradet gett betydande teoretiska och empiriska insikter om hur drivsystem fungerar och hur de sprids. Fram till nyligen har vi saknat tillräckliga uppgifter om fitnesskostnader för naturliga drivkrafter för att kunna göra modeller om deras spridning i naturen som stämmer väl överens med de drivkraftsfrekvenser som observerats i vilda populationer.

I denna specialartikel rapporterar fyra studier om fitnesskostnader förknippade med manliga meiotiska drivkrafter. Dessa drivkrafter agerar under spermieutvecklingen för att eliminera sin konkurrens, nämligen icke-drivkraftsbärande spermier, vilket främjar deras egen överföring. Finnegan et al. , Larner et al. , Dyer & Hall och Lea & Unckless mätte fitnesskostnader hos hanar och honor som är förknippade med deras artspecifika meiotiska drivare, i stjälkögda flugor Teleopsis dalmanni, i fruktflugan Drosophila pseudoobscura, i Drosophila recens och i Drosophila melanogaster, Drosophila affinis respektive Drosophila neotestacea. Dessa kostnader för fitness syns i form av minskad livsduglighet från ägg till vuxen, minskad avkommaproduktion hos honorna och minskad framgång i spermiekonkurrensen. Kostnaderna är dock specifika för varje egenskap. Lea & Unckless fann ingen minskad immunfunktion i samband med hanarnas meiotiska drivkraft, och Dyer & Hall fann inga effekter på honors parningspreferenser eller på livslängd. Larner et al. och Dyer & Hall använde sedan de kvantifierade fitnesskostnaderna för att parametrisera populationsgenetiska modeller för att förutsäga jämviktsfrekvenser i naturen. Dessa förutspådda frekvenser låg nära de observerade frekvenserna. Detta är ett viktigt steg i förståelsen av dynamiken i naturliga drivsystem, och även om detaljerna kommer att variera mellan systemen, breddar dessa studier tillsammans uppskattningen av potentiella fitnesskostnader i naturen. De drivsystem som undersökts i dessa fyra studier ligger inom stora kromosomala omläggningar som hindrar rekombination från att bryta upp kritiska drivelement . Det är fortfarande okänt i vilken utsträckning dessa fitnesskostnader uppstår enbart som en följd av minskad rekombination, vilket gör det möjligt att ackumulera skadliga mutationer, eller om de är pleiotropa effekter av drivkrafterna i sig.

Fitnesskostnader selekterar också för evolutionen av genetiska suppressorer av drivkraften. Suppressorer finns i de flesta drivsystem i Drosophila , men inte i D. pseudoobscura. Price et al. överväger varför det kan vara så. De låga, stabila frekvenserna av drivkrafter som observerats i det vilda kan förklaras av fitnesskostnader som härrör från den kombinerade effekten av SR-hanarnas dåliga konkurrensförmåga när det gäller spermier och kostnader för homozygota SR-honor. Dessa fitnesskostnader som påverkar drivdynamiken innebär dock fortfarande att det skulle vara fördelaktigt att undertrycka drivdynamiken genom evolution. Avsaknaden av undertryckare är därför förbryllande. Detta Drosophila-drivsystem har funnits i naturen i åtminstone hundratusentals år , vilket fick Price et al. att ifrågasätta om gamla drivsystem kan vara evolutionärt skilda från yngre drivsystem. Att upptäcka de mekanismer som ligger till grund för detta drivsystem skulle hjälpa till att klargöra om det finns särskilda genetiska begränsningar som gör det mindre troligt att suppression utvecklas, och om de är gemensamma för andra gamla system som inte heller har utvecklat genetisk suppression .

Därmed är det viktigt att förstå den genetiska arkitekturen hos naturliga drivsystem för att förstå deras effekter och hur drivkrafter har utvecklats, men det kan också bidra till att informera om utformningen av syntetiska drivkrafter. Homing endonukleas drivsystem beskrevs i jäst och bakterier och inspirerade senare syntetiska homing endonukleas drivsystem . Den syntetiska Medea-drivkraften som utvecklades för växtskadegöraren Drosophila suzukii hämtade inspiration från det naturliga drivsystemet med samma namn , som är känt från Tribolium-mjölbaggar . Utvecklingen av syntetiska X-kromosomförstörare hos myggor föregås av upptäckten hos myggor av en naturlig X-kromosomförstörare , och den syntetiska könsförhållandeförstörare som håller på att utvecklas hos husmöss är direkt baserad på modifiering av t haplotypen . Courret et al. granskar ursprunget och mekanismerna för de 19 kända drivkrafterna i Drosophila och visar att nästan alla de välkaraktäriserade systemen utvecklas från genduplikationer och involverar heterokromatinreglering, små RNA och/eller kärntransportvägar. Att ta reda på hur dessa system fungerar försvåras av att de är förknippade med inversioner, heterokromatin och epistatiska interaktioner.

Genuttrycksstudier kan hjälpa till att identifiera vad delar av drivsystemen gör. I Lindholm et al. analyseras transkriptomet för husmusens t haplotyp. Att bära en kopia av t haplotypen förändrade främst uttrycket i testiklarna av spermatogenesegener, både av de gener som mappas till t haplotypen men också i ett större antal gener i resten av genomet. Huruvida dessa transgenregleringseffekter uppnås av transkriptionsfaktorer, icke-kodande RNA, kromatinmodifiering eller andra processer är för närvarande okänt. Andra vävnader uppvisade färre skillnader, och dessa var huvudsakligen lokaliserade till t haplotypen. Denna studie pekar på en finskalig anpassning av drivrutinen till resten av genomet eller en omfattande samanpassning mellan dem. Kan vi förvänta oss att syntetiska drivkrafter kommer att utvecklas så att de visar liknande mönster, om de får tillräckligt många generationer?

(c) Framgång i genomförandet och bredare etiska överväganden om gendrivning

Det har diskuterats mycket om riskerna och fördelarna med att utnyttja gendrivningar som ett sätt att reglera och undertrycka populationer av skadegörare och vektorer i det vilda – i synnerhet malariasmittade myggor . Gene drives har också föreslagits som ett effektivt och humant sätt att reglera invasiva arter, t.ex. gnagare på öar (se även Godwin et al.; Manser et al. i detta nummer). De potentiella fördelarna är imponerande: minskad risk för sjukdomar som överförs av insekter och minskat beroende av bekämpningsmedel med alla tillhörande skadliga bieffekter (t.ex. bioackumulering i människoföda eller förgiftning av vilda djur som inte är måltavlor). Dessutom tillkommer de ökande kostnaderna för användning av bekämpningsmedel på grund av den oundvikliga uppkomsten av resistens och den fortsatta risken för att sjukdomar sprids av resistenta vektorer. Det finns också betydande risker som är förknippade med användningen av syntetiska genmodifieringar. En av riskerna är att genmodellerna sprids till icke-målpopulationer och arter. Trots den låga sannolikheten för att en genmotor ska överföras mellan arter rekommenderar Förenta staternas National Academy of Sciences för närvarande att risken för horisontell genöverföring ska utvärderas innan man överväger att släppa ut en genmotor i miljön. Förutom de direkta riskerna med genmotorer som påverkar arter som inte är målarter är det också viktigt att bedöma de mer omfattande konsekvenser som avlägsnande eller förändring av målpopulationen eller målarten kommer att få för ekosystemet i stort.

Debatten kring denna teknik beror delvis på otillräcklig kunskap om naturliga, för att inte tala om syntetiska genmotorer. Samförstånd tycks råda om att det för närvarande inte är möjligt att utvärdera om fördelarna överväger riskerna, men att detta inte bör innebära att forskning och försök med gendrivning bör förbjudas. Royal Society har till exempel rekommenderat FN:s konvention om biologisk mångfald (CBD) att undvika att anta en ståndpunkt som skulle stödja ett internationellt moratorium för forskning om genetiska drivkrafter, inklusive experimentella fältförsök, en ståndpunkt som upprepades vid FN:s CBD-möte i november förra året. Moratoriet förkastades slutligen. Invändningen uppstod delvis på grund av att om forskning om genmotorer förbjöds skulle följdeffekten bli skadlig eftersom det i praktiken skulle utesluta en bredare offentlig debatt innan vi har fastställt den potentiella risken och därför utvärderat hur vi kan använda denna teknik på ett säkert sätt.

Moratoriet omformulerades dock för att betona behovet av att samråda med lokalsamhällen och ursprungsbefolkningar som kan komma att beröras innan en potentiell utsättning övervägs, vilket är en upprepning av rekommendationerna från George et al. och Ritchie & Stanton i det här numret. Generellt sett bör varje potentiell framtida användning av genetiska drivrutiner föregås av en offentlig debatt om den relativa attraktionskraften av att använda genetiska drivrutiner jämfört med alternativa lösningar. Stor vikt har lagts vid att se till att framtida forskning styrs på lämpligt sätt så att den omfattar en rad olika bredare samhällseffekter, förutom att beakta biosäkerhet och oönskade ekologiska och hälsomässiga effekter . Ett sådant rådgivande tillvägagångssätt betonas i bidraget från George et al. som också lyfter fram komplexiteten kring de etiska övervägandena om att släppa ut genmodifierade drivkrafter i naturen. Ritchie & Staunton betonar också vikten av att säkerställa ett tillräckligt förtroende hos allmänheten och politiken och menar att detta är avgörande för att säkerställa ett bredare utnyttjande. Framgången med detta tillvägagångssätt exemplifieras av det arbete som utförs av Target Malaria (targetmalaria.org/who-we-are/), ett icke-vinstdrivande forskningskonsortium som syftar till att utveckla och dela med sig av teknik för malariakontroll. I konsortiet ingår forskare, grupper som engagerar intressenter, specialister på riskbedömning och lagstiftningsexperter från Afrika, Nordamerika och Europa samt en rådgivande etikkommitté.

Inte någon syntetisk gendrivning har hittills släppts ut i en vild population, bortsett från användningen av naturligt förekommande endosymbionter, t.ex. Wolbachia, för att störa sjukdomsöverföringen hos myggor. Det amerikanska jordbruksdepartementet har undantagit genomredigerade växter från tillsyn, så detta kan komma att ändras. Den australiska regeringen beslutade också nyligen att den inte kommer att reglera användningen av genredigeringstekniker som inte introducerar nytt genetiskt material i organismer, men att den kommer att öka sina krav på övervakning av experiment med genetiska drivkrafter . Däremot har EU-domstolen beslutat att genredigerade grödor bör behandlas som genetiskt modifierade organismer som omfattas av sträng reglering . Det finns uppenbarligen inget globalt samförstånd.

Användningen av ”biologiska” bekämpningsåtgärder, t.ex. endosymbionten Wolbachia, som när den förs in i A. aegypti-myggor förhindrar överföringen av dengue-, zika- och chikungunya-virus, har redan varit föremål för omfattande fältförsök i Australien och på andra ställen. Den första framgångsrika användningen av cytoplasmatiskt inducerad manlig sterilitet för att kontrollera Culex-myggor genomfördes i Burma för mer än 50 år sedan, och flera stora pilotutsättningar av wMel-modifierade Aedes-myggor pågår för närvarande (World Mosquito Program: http://www.eliminatedengue.com/our-research/wolbachia). En framgångsrik användning är beroende av ett starkt samhälleligt och politiskt stöd (t.ex. det framgångsrika World Mosquito Program som syftar till att utrota denguefeber), eftersom de utan detta sannolikt kommer att misslyckas, vilket är fallet med flera godkända försök som saknar stöd . Det är värt att notera att användningen av naturligt förekommande ämnen, som Wolbachia (som kan orsaka effektiv sterilisering genom att framkalla cytoplasmatisk inkompatibilitet), verkar vara mindre problematisk när det gäller säkerheten jämfört med syntetiska genmotorer. Wolbachia-infekterade myggor driver dock effektivt in gener i populationer och kan därför betraktas som en analogi till gendrivning . Är det möjligt att ju mer vi lär oss att utnyttja dessa naturligt förekommande gendrivare, desto mer kommer vår nuvarande oro för användningen av syntetiska drivare att minska?

Slutord och framtida inriktning

Ett antal allmänna slutsatser och lovande vägar för framtida forskning framgår av de enskilda bidragen i detta nummer. Nedan lyfter vi fram några av de viktigaste punkterna.

Vi måste beakta inte bara de tekniska utan även de etiska och samhälleliga aspekterna av syntetisk gendrivning. Som Ritchie & Staunton och George et al. hävdar är stöd från de samhällen som berörs av gendrivna utsättningar avgörande för att de ska kunna genomföras på ett framgångsrikt sätt. Det är absolut nödvändigt att alla framtida lanseringar gör stora ansträngningar för att förklara alla relevanta aspekter av projektet och få stöd från lokala intressenter. Uppståndelsen kring genetiskt modifierade grödor visar hur illa ett projekt kan gå om det inte åtnjuter allmänhetens förtroende. Det enda sättet för dessa potentiellt livräddande gentekniker att bli praktiskt användbara är om de börjar bra, med framgångsrika projekt som får stort lokalt stöd. En arrogant strategi uppifrån och ner riskerar att göra gentekniken politiskt giftig och göra den oanvändbar i årtionden. Detta skulle kunna vara tragiskt för människors hälsa, jordbruk och bevarande. Det finns dock framgångshistorier, så detta rådgivande tillvägagångssätt kan fungera. Är det möjligt att det finns breda lärdomar att dra av den framgångsrika användningen av naturliga system som Wolbachia för att minska sjukdomsöverföringen hos myggor, som också kan tillämpas vid införandet av syntetiska drivkrafter?

En förståelse av kostnaderna är nyckeln till att förutsäga dynamiken i gendrivning. Det har gjorts stora framsteg när det gäller att kvantifiera de potentiella kostnaderna för gendrivning i naturliga system, vilket rapporteras i denna specialartikel. Det kan dock vara svårt att hitta kostnader för fitness: till exempel Finnegans et al. upptäckt av minskad livsduglighet i samband med en meiotisk drivning i stjälkögda flugor kom efter flera tidigare studier av fitnesskostnader i samma art. I synnerhet behöver vi bättre dokumentera den potentiella kostnaden för drivning i mindre välkaraktäriserade naturliga drivningssystem som involverar arter som inte är modellarter (dvs. andra än flugor och husmöss). Vi vet inte heller om dessa kostnader ändras med tiden, vilket skulle förutsägas av en koevolutionär reaktion. Till exempel har kostnaden för Drosophila simulans-flyghonor som bär på Riverside-stammen av Wolbachia gått från en initial kostnad på 15-20 % för fruktsamhet till en fördel på 10 % för fruktsamhet efter bara 20 års samevolution . Det är viktigt att kvantifiera fitnesskostnaderna för drivning hos både hanar och honor för att kunna förutsäga drivningens dynamik i naturliga populationer på ett korrekt sätt (t.ex. ). Subtila kostnader för driften kan också påverka framgången för syntetiska drifter. Beaghton et al. undersöker också den transgenerationella effekten av empiriskt påvisade fitnesskostnader, vilket har varit en överraskande upptäckt inom forskningen om syntetiska gendrivningar. Det finns helt klart utrymme både för att bättre förfina befintliga prediktionsmodeller och för att samla mer data om potentiella fitnesskostnader i syntetiska drivsystem för att förbättra vår prognostisering av dynamiken för syntetiska drivsystem i naturliga populationer.

Relativ betydelse av att balansera kostnader kontra undertryckande för att lyckas med gendrivningar. Nyckeln till framgång när det gäller att genomföra syntetiska gendrivningar för populationskontroll är att de ska finnas kvar under tillräckligt lång tid för att uppnå en minskning (eller eliminering) av målpopulationen. Därför är det ett viktigt mål att fördröja sannolikheten för och hastigheten på utvecklingen av undertryckning. Många naturliga gendrivningssystem tycks dock vara beroende av styrkan i det balanserande urvalet snarare än av utvecklingen av undertryckande. För närvarande vet vi inte vilka egenskaper hos ett gendrivningssystem som gör att det är mer eller mindre sannolikt att det formas av balanserande urval i motsats till undertryckande. Vi vet inte heller om det finns några likheter mellan gamla gendrivningar där man inte har hittat några undertryckare (t.ex. könskvotsdrivning i D. pseudoobscura, t haplotyp i husmöss och den långvariga persistensen av Wolbachia-inducerad dödning av hanar i Drosophila innubila ). Delvis beror denna brist på insikt på den begränsade kunskapen om den eller de gener som är inblandade i drivkraften, eftersom mekanismerna inte är kända för många system . Precis som när det gäller könsfördelningen (t.ex. D. simulans, ) finns det dock exempel på system för dödande av hanar som uppvisar ett dramatiskt flöde av invasion, undertryckande, ersättande och återkommande dödande av hanar i olika populationer (t.ex. Hypolimnas bolina-fjärilarna). Jämförelser mellan dessa naturliga drivsystem kan avslöja potentiella egenskaper som är förknippade med den långsiktiga persistensen av icke undertryckta drivsystem som kanske skulle kunna införlivas i utformningen av syntetiska drivsystem. Finns det till exempel potentiella kostsamma pleiotropa konsekvenser av undertryckning som helt enkelt är för stora för att övervinnas? Å andra sidan är det möjligt att långsiktig persistens av icke undertryckta system är en egenskap hos ett komplext drivsystem som involverar flera gener, och att det därför är osannolikt att det i praktiken kan överföras till syntetiska drivkrafter, eftersom de helt enkelt är för komplexa att konstruera. Hittills vet vi inte ens om ihållande gendrivning är förknippad med ett fåtal eller många samutvecklande gener. Det är uppenbart att vi måste få en bättre förståelse för mekanismerna för drivning och undertryckande av naturliga system innan dessa insikter kan överföras till utformningen av syntetiska drivkrafter.

Det finns dessutom flera outforskade möjligheter med gendrivningar.

Sammantaget visar bidragen i denna specialartikel på den enorma potentialen hos genmotorer, men de belyser också flera utestående kunskapsluckor. Särskilt de bredare etiska och samhälleliga konsekvenserna av att utnyttja och släppa loss kraften hos själviska gener i naturliga populationer är fortfarande bara i ett tidigt skede av behandlingen.

Datatillgänglighet

Denna artikel innehåller inga ytterligare data.

Kompletterande intressen

Vi förklarar att vi inte har några konkurrerande intressen.

Finansiering

Vi har inte fått någon finansiering för den här studien.

Fotnoter

Ett bidrag till specialnumret ’Natural and syntetic gene drive systems’. Gästredaktörer är Nina Wedell, Anna Lindholm och Tom Price.