Gendrivare

Sammanfattning

Gendrivare diskuteras främst som en metod för att kontrollera smittbärande myggor, invasiva arter och skadegörare inom jordbruket. Med gendrivare kan genvarianter som försämrar individernas överlevnad eller fortplantning snabbt spridas. På bara några generationer kan det leda till att en population minskar kraftigt eller kollapsar. Tekniken har hittills endast testats i kontrollerade laboratoriemiljöer.

Gendrivare bryter mot ärftlighetslagar

Redan på 1800-talet beskrev Gregor Mendel ärftlighetens lagar efter att systematiskt ha studerat hur egenskaper nedärvs hos ärtor. En av lagarna säger att ärftliga egenskaper bestäms av ”ärftliga faktorer” som förekommer parvis. I dag kallar vi dessa faktorer för genvarianter, eller alleler. Hos arter med sexuell fortplantning ärver avkomman en genvariant från vardera föräldern.

Om en genvariant är gynnsam för individens överlevnad och fortplantning så ökar chansen att genvarianten sprids till efterföljande generationer. Genvarianten kan då på sikt bli vanlig. En genvariant som däremot inte är gynnsam försvinner i regel ur en population på sikt – om populationen är tillräckligt stor.

Gendrivare finns naturligt i alla organismers genom och de bryter mot det här mönstret. De kallas ibland själviskt DNA eller själviska gener och sprider sig snabbt i en population även om de inte ger individen en fördel. Forskare har låtit sig inspireras av de naturliga processerna och utvecklat tekniker för att åstadkomma samma spridning.

Naturliga gendrivare

Här följer några exempel på naturliga processer som gör att vissa DNA-sekvenser förekommer oftare än förväntat.

Transposoner hoppar runt i genomet

Transposoner är en typ av själviskt DNA som har förmåga att flytta sig i genomet. De kan kopiera sig på ett sätt så att den nya kopian infogas i en annan del av genomet. Den här egenskapen hos en transposon gör att den förekommer oftare än vad som är förväntat. Transposoner anses vara en evolutionär rest av infektioner av retrovirus som av någon anledning förlorat förmågan att ta sig vidare till nya celler.

Transposoner upptäcktes av forskaren Barbara McClintock som studerade majs (Zea mays) under 1900-talets mitt för att förstå kromosomernas struktur och funktion. Genom sina experiment upptäckte hon att vissa DNA-sekvenser kan flytta sig till olika platser i genomet och att genomet inte är helt statisk. För detta arbete tilldelades McClintock Nobelpriset i fysiologi eller medicin år 1983.

Målsökande enzymer och HEGs

Det finns en grupp enzymer som på engelska kallas för homing endonucleases som kan översättas med målsökande endonukleaser på svenska. Enzymerna känner igen en specifik DNA-sekvens, en målsekvens, som de klipper itu. De gener som kodar för enzymerna kallas för HEGs (homing endonuclease genes). Varje HEG är lokaliserat inom ”sitt enzyms” målsekvens. HEGs förekommer oftare än förväntat i en population eftersom de kan omvandla en heterozygot till en homozygot.

Förenklat går det till så här: Om en HEG finns på den ena DNA-strängen i ett kromosompar (en heterozygot) så klipper enzymet bara av den andra DNA-strängen. I cellen finns system som lagar skador på DNA och vid lagningen används den intakta DNA-strängen – den som har en HEG – som mall. Resultatet efter lagningen blir ett kromosompar där båda kromosomerna har en HEG (en homozygot).

När kromosomparen delas upp under meiosen (bildningen av könsceller) kommer alla könsceller ha en kromosom med DNA-sekvensen för HEG, istället för femtio procent som skulle vara det förväntade utfallet givet att individen var heterozygot från början.

Gendrivare som teknik

Forskare har inspirerats av själviskt DNA, och redan i slutet av 1960-talet väcktes idén om att använda samma princip som en teknik för att snabbt öka frekvensen av en egenskap i en population.  

Gendrivare fungerar bara på organismer som förökar sig sexuellt. För att spridningen ska skke effektivt måste även generationstiden vara kort. Därför är insekter som bananflugor och myggor särskilt lämpliga eftersom de utvecklas från ägg till fullvuxen på bara några veckor.

År 2015 visade forskare för första gången att gendrivare fungerar i praktiken. Då användes bananflugor som modell och en genvariant som spred egenskapen gula ögon spreds i populationen. Det var ett tydligt sätt att visualisera att principen fungerade. Samma år visade forskare att det även fungerar i två arter av malariamyggor.

Gensaxen CRISPR/Cas9 förvandlar heterozygot till homozygot

Utvecklingen av gensaxen CRISPR/Cas gav forskningen om gendrivare ny fart. Genom att koppla CRISPR-systemet till en önskad genvariant kan den spridas på ett sätt som liknar den naturliga processen med HEGs.

Gendrivaren kopierar genvarianten från den ena kromosomen till den andra, så att en heterozygot individ blir homozygot. Därmed ärvs genvarianten av i princip all avkomma, vilket gör att den snabbt kan spridas i en population.

In-zoomning på hur en gendrivare fungerar

Ut-zoomning på hur en gendrivare fungerar

Tre potentiella användningsområden för gendrivare

Kontrollera populationer av smittbärande myggor

Många sjukdomar sprids av myggor, till exempel malaria, denguefeber, zika och chikungunya. Det finns därför ett stort intresse för att kontrollera dessa populationer, och en stor del av forskningen om gendrivare har fokuserat på myggor.

Flera gendrivare har utvecklats för att kontrollera myggpopulationer. Ett exempel är gendrivare som slår ut gener som krävs för honornas fertilitet. När allt fler myggor blir homozygota för den genvarianten minskar antalet fertila honor, vilket kan leda till att populationen kollapsar. Sådana system har visat sig kunna slå ut populationer i laboratorieförsök och stora inneslutna försöksmiljöer.

Rädda veteskörden

Svampen Fusarium är spannmålsbondens värsta mardröm. Den orsakar veteskorv, en sjukdom som leder till stora skördeförluster och kan förorena spannmål med gifter som är skadliga för både människor och djur.

År 2020 tog australiska forskare en ny strategi för att bekämpa svampen med hjälp av en gendrivare. Syftet var att sprida mutationer som stänger av de gener som gör svampen giftig. för att eliminera de gener hos svampen som gör den giftig.

Utrota invasiva arter

Invasiva arter kan orsaka stora problem när de introduceras i ekosystem där de inte naturligt förekommer. De kan konkurrera ut inhemska arter, sprida sjukdomar och ändra hela ekosystem. Några exempel på invasiva arter i Sverige är mördarsnigel, parkslide, lupin och Amerikansk signalkräfta.

Husmus (Mus musculus) är en invasiv art i Australien dit den kom med europeiska sjöfarare i slutet av 1700-talet. Förutom att räknas som skadedjur inom jordbruket så påverkar den många arter negativt som inte är anpassade till förekomsten av möss. Hittills har framför allt gift använts i bekämpningen, vilket är dyrt och kan skada andra arter. Forskare har därför intresserat sig för att utveckla alternativa bekämpningsmetoder, bland annat gendrivare.

I husmusens genom finns en naturlig gendrivare som kallas för t-haplotyp. Den nedärvs till 95 procent av avkomman i stället för de förväntade 50 procenten. Forskarna förstärkte det naturliga systemet genom att introducera CRISPR/Cas9 i t-haplotypen. Verktyget utformades för att skapa mutationer i en gen som är nödvändig för honornas fertilitet. Mutationerna leder till steril avkomma.

I laboratorieförsök ärvde cirka 95 procent den modifierade gendrivaren, som forskarna kallade t-CRISPR. Datasimuleringar visade att en population med 200 000 möss skulle kunna kollapsa inom 25 år om 256 möss med t-CRISPR släpptes ut i den populationen.

Möjligheter och risker med gendrivare

Som teknik har gendrivare potential att bidra till att lösa allvarliga samhällsproblem som att bekämpa vektorburna sjukdomar som malaria och denguefeber, skydda ekosystem mot invasiva arter, och ta plats som alternativ till bekämpningsmedel inom växtodling.

Gendrivare har aldrig testats utanför en kontrollerad laboratoriemiljö och tekniken omgärdas både av tekniska osäkerheter och etiska frågeställningar. Framför allt kretsar diskussionen kring att riskbedömningen är svår. Nedan följer exempel på frågor som diskuteras i sammanhanget gendrivare:

• Vad händer om gendrivaren oavsiktligt korsas in i en närbesläktad art eller en population som man inte ville påverka?
• Vad händer med ett ekosystem när en population minskar kraftigt – finns det då risk att den ersätts av en annan population eller art som vållar ännu större problem?
• Vad händer om det uppstår en mutation i den genvariant man vill sprida med en gendrivare som leder till en annan egenskap?
• Vem ska fatta beslut om förändringar av vilda populationer och arter? Vad händer om en gendrivare sprids över nationsgränser?

Många forskare arbetar med att ta fram sätt att kontrollera gendrivare på olika sätt. Innan det kan demonstreras är det inte troligt att gendrivare kommer att prövas i naturen. och göra det möjligt att stänga av dem, eller att de . och öka säkerheten.

Det pågår mycket forskning för att utveckla gendrivare som går att kontrollera och återställa, vars effekt avtar med tid eller bara fungerar i viss temperatur eller tillsammans med vissa kemikalier.

Regleringen av gendrivare

Gendrivare skiljer sig från andra genetiskt modifierade organismer (GMO) i och med att själva syftet är att de ska sprida sig snabbt och i naturliga populationer. När det handlar om regelverket kring GMO så kretsar det kring kontroll och att undvika spridning.

Användningen av gendrivare utanför en laboratoriemiljö är i nuläget i stort sett blockerad av den lagstiftning som reglerar GMO. Även om den lagstiftningen varierar i olika länder så ställs ofta höga krav på riskbedömning som i nuläget är svår att efterleva när det gäller gendrivare, till exempel kravet på att minska risken för spridning.

Referenser

• Gantz & Bier (2015) The mutagenic chain reaction: A method for converting heterozygous to homozygous mutations. Science 348 (6233):442-444. (Vetenskaplig artikel på science.com)

• Gantz et al, (2015) Highly efficient Cas9-mediated gene drive for population modification of the malaria vector mosquito Anopheles stephensi. Proc Natl Acad Sci. 112(49). (Vetenskaplig artikel på pnas.org)

• Hammond et al, (2016)  A CRISPR-Cas9 gene drive system targeting female reproduction in the malaria mosquito vector Anopheles gambiae. Nature Biotechnology,  34:78-83.(Vetenskaplig artikel på nature.com)

• Elizabeth Pennisi (17 april 2020) Controversial ‘gene drive’ could disarm deadly wheat pathogen. (Artikel i Science)

• Gierus, L. et al. (2022) Leveraging a natural murine meiotic drive to suppress invasive populations Proc. Natl. Acad. Sci. 119. (Vetenskaplig artikeln på pnas.org)

• D’Amato, R. et al. (2024). Anti-CRISPR Anopheles mosquitoes inhibit gene drive spread under challenging behavioural conditions in large cages Nat. Commun.
  15, 952 (Vetenskaplig artikel på nature.com)