如果有一種人道的，有針對(duì)性的方法消滅外來(lái)的害蟲(chóng)物種，如老鼠，老鼠和兔子，通過(guò)將自己的基因轉(zhuǎn)化為自身，使它們不能再繁殖并且它們的種群崩潰，該怎么辦?基因驅(qū)動(dòng) - 一種涉及故意在整個(gè)人群中傳播錯(cuò)誤基因的技術(shù)- 有望完成這一任務(wù)。對(duì)于使用基因驅(qū)動(dòng)器清除入侵物種的島嶼并允許本地物種繁盛的可能性，環(huán)保主義者感到興奮。盡管?chē)@這一新興技術(shù)存在嚴(yán)重的生物安全，監(jiān)管和道德問(wèn)題，圍繞該技術(shù)的炒作仍在繼續(xù)。

我們今天發(fā)表在“ 皇家學(xué)會(huì)學(xué)報(bào)B ”雜志上的研究表明，在某些情況下，基因組編輯可以發(fā)揮作用好的和壞的基因

構(gòu)建旨在抑制害蟲(chóng)種群的基因驅(qū)動(dòng)的最簡(jiǎn)單方法是鑒定對(duì)害蟲(chóng)物種繁殖或胚胎發(fā)育至關(guān)重要的基因。然后將新的DNA序列 - 基因驅(qū)動(dòng)“盒”插入該基因中以破壞其功能，從而產(chǎn)生該基因的錯(cuò)誤版本(或“等位基因”)。

通常，有缺陷的等位基因不會(huì)通過(guò)種群傳播，因?yàn)閿y帶它們的個(gè)體的進(jìn)化適應(yīng)性降低，這意味著它們比無(wú)缺陷的等位基因更不可能傳遞給下一代。但是新開(kāi)發(fā)的CRISPR基因編輯技術(shù)可以通過(guò)創(chuàng)建更有可能傳遞給下一代的基因驅(qū)動(dòng)序列來(lái)欺騙自然選擇。

這是訣竅的作用。基因驅(qū)動(dòng)盒包含兩種新產(chǎn)品的遺傳信息：切割DNA的酶和稱(chēng)為指導(dǎo)RNA的分子。這些產(chǎn)品共同作為一對(duì)微小的分子剪刀切割目標(biāo)基因的第二個(gè)(正常)拷貝。

為了修復(fù)切割，細(xì)胞使用基因驅(qū)動(dòng)序列作為修復(fù)模板。這導(dǎo)致兩條染色體上的基因驅(qū)動(dòng)(以及因此有缺陷的基因)的拷貝。

這個(gè)過(guò)程被稱(chēng)為“歸巢”，當(dāng)在動(dòng)物的卵子或精子生成細(xì)胞中開(kāi)啟時(shí)，它應(yīng)該保證幾乎所有的后代都繼承了基因驅(qū)動(dòng)序列。

隨著基因驅(qū)動(dòng)序列的擴(kuò)散，載體之間的交配變得更加可能，產(chǎn)生具有兩個(gè)錯(cuò)誤等位基因的后代，因此無(wú)菌或不能在胚胎階段發(fā)育。

它會(huì)起作用嗎?

開(kāi)發(fā)抑制驅(qū)動(dòng)的最初嘗試可能會(huì)集中在具有快速生命周期的入侵物種上，這些物種允許基因驅(qū)動(dòng)迅速傳播。房子老鼠顯然是個(gè)不錯(cuò)的候選人，因?yàn)樗麄冇泻芏嗪蟠?，他們已?jīng)很詳細(xì)生物學(xué)家進(jìn)行了研究，并已殖民世界的廣大地區(qū)，包括島嶼。

在我們的研究中，我們開(kāi)發(fā)了一個(gè)數(shù)學(xué)模型來(lái)預(yù)測(cè)基因驅(qū)動(dòng)是否可以逼真地用于根除島上的侵入性小鼠。

我們的結(jié)果表明這種策略可行。我們預(yù)測(cè)，僅僅100只攜帶基因驅(qū)動(dòng)的小鼠就可以在4到5年內(nèi)消滅50,000只小鼠。

但它只有在遺傳歸巢過(guò)程中 - 其作用是克服自然選擇 - 才能按計(jì)劃運(yùn)作。

進(jìn)化反擊

正如澳大利亞的歐洲兔子對(duì)引入的病毒產(chǎn)生了抵抗力一樣，進(jìn)化可能會(huì)阻礙利用基因驅(qū)動(dòng)進(jìn)行生物防治的嘗試。

非脊椎動(dòng)物物種的實(shí)驗(yàn)表明，在某些情況下歸巢可能會(huì)失敗。例如，DNA斷裂可以通過(guò)另一種機(jī)制修復(fù)，該機(jī)制將破碎的DNA序列縫合在一起而不復(fù)制基因驅(qū)動(dòng)模板。這也破壞了指導(dǎo)RNA靶向的DNA序列，產(chǎn)生了一種永遠(yuǎn)不會(huì)接受基因驅(qū)動(dòng)的“ 抗性等位基因 ”。

甲在蚊子最近的研究估計(jì)，在歸巢嘗試的至少2%形成抗性等位基因。我們對(duì)小鼠的模擬實(shí)驗(yàn)證實(shí)這是一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題。

在歸巢期間考慮到低失敗率之后，抗性等位基因的產(chǎn)生和傳播允許模擬群體在最初的豐度下降后反彈。因此，不完全的歸巢威脅到基因驅(qū)動(dòng)根除甚至抑制害蟲(chóng)種群的能力。

該問(wèn)題的一個(gè)潛在解決方案是在基因驅(qū)動(dòng)盒內(nèi)編碼多個(gè)指導(dǎo)RNA，每個(gè)指導(dǎo)RNA靶向不同的DNA序列。這應(yīng)該通過(guò)允許“多次射擊目標(biāo)”來(lái)減少歸巢失敗率，并且在更多情況下避免產(chǎn)生阻力等位基因。

為了消滅生活在島上的200,000只老鼠的數(shù)量，我們計(jì)算出基因驅(qū)動(dòng)序列需要包含至少三種不同的指導(dǎo)RNA序列，以避免小鼠最終使我們更好地根除它們。

從炒作到現(xiàn)實(shí)

基因驅(qū)動(dòng)是一種超級(jí)驅(qū)動(dòng)器來(lái)控制害蟲(chóng)，還是只是炒作?部分答案將來(lái)自實(shí)驗(yàn)室小鼠的基因驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)(適當(dāng)?shù)氖杖?。這將有助于提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)，為辯論其可能的部署提供信息。

如果引入的基因驅(qū)動(dòng)力擴(kuò)散到管理目標(biāo)人群之外，我們還需要更復(fù)雜的計(jì)算機(jī)建模來(lái)預(yù)測(cè)對(duì)非目標(biāo)人群的影響。使用模擬，可以測(cè)試不同基因驅(qū)動(dòng)策略的性能和安全性，包括涉及多個(gè)基因操作的多個(gè)驅(qū)動(dòng)的策略。