Genetické nutit ( drive gen v angličtině) nebo genetické průvodce , je technika genetického inženýrství , která umožňuje gen má být předán s téměř jistotou pohlavního rozmnožování , a to i v případě, že jde proti zákonům Mendela . Tato technika, která se objevila na počátku XXI th století, využívá techniku CRISPR / case.9 . Genový pohon podporuje dědičnost konkrétního genu a zvyšuje jeho prevalenci v populaci.
Genový pohon lze - teoreticky - použít k prevenci šíření hmyzu přenášejícího choroby (zejména komárů přenášejících malárii , infekci dengue nebo virem Zika ), ke kontrole invazivních druhů nebo k eliminaci odolnosti některých druhů vůči herbicidům nebo pesticidům . Tuto techniku lze použít k přidání, přerušení nebo úpravě genů celé populace tak, aby způsobila drastické snížení této populace snížením jejích reprodukčních schopností. Genové disky fungují pouze pro sexuálně aktivně se množící druhy, nelze je použít k úpravě populací virů nebo bakterií. Tyto příklady zůstávají sliby dodnes.
Pro genové pohony lze použít několik molekulárních mechanismů. Genový pohon může nastat přirozeně, když molekulární mechanismy zvyšují šance na více než 50%, což je normální pravděpodobnost přenosu alely . Syntetické genetické moduly s podobnými vlastnostmi byly vyvinuty v laboratoři jako technika úpravy populačních genomů. Endonukleázový genový pohon je nejuniverzálnější a aktivně se rozvíjející syntetický mechanismus známý v roce 2017.
Protože genový pohon představuje prostředek k umělé změně dědičnosti určitých genů, představuje tato technika významný krok ve světě biotechnologií. Potenciální dopad uvolnění mechanismů genových pohonů do přírody vyvolává zásadní bioetické obavy ohledně jejich možného vývoje a řízení, které bude nutné provést. V prosinci 2020 požaduje více než 150 mezinárodních nevládních organizací „moratorium na genový pohon“.
Austin Burt, vyvíjející se genetik na Imperial College v Londýně , navrhl možnost stavby genetických motorů založených na přírodních „sobeckých“ genech pomocí endonukleázy již v roce 2003. Vědci již dříve prokázali, že tyto „sobecké“ geny se mohly rychle šířit po sobě jdoucích generací. Burt navrhl, že lze použít genový pohon, aby se zabránilo populaci komárů v přenosu parazita malárie nebo úplné zničení dané populace komárů. První pokusy o genový pohon založený na endonukleázách byly provedeny v laboratoři s transgenními populacemi komárů a octových mušek .
v srpna 2016, Úřad pro kontrolu potravin a léčiv (FDA) USA vydal „Žádný významný dopad“ (FONSI) pro plán biotechnologické společnosti Oxitec na uvolnění geneticky modifikovaných Aedes aegypti (komárů) na Floridě . Cílem tohoto plánu je zabránit šíření chorob přenášených komáry, včetně infekce virem Zika . Genetická modifikace přidává gen, který zabíjí potomky komárů dříve, než dosáhnou reprodukčního věku. Než může Oxitec vypustit GM hmyz do volné přírody, stále vyžaduje souhlas od kontrolního okresu Mosquito na Floridě Keys.
Nadace Billa a Melindy Gatesových investovala 75 milionů dolarů do technologie genového pohonu. Nadace původně odhadovala, že technologie bude připravena k prvnímu použití v terénu do roku 2029 někde v Africe . Gates však v roce 2016 revidoval svůj odhad a nyní zvažuje první použití během příštích dvou let. Tato nadace také dala 1,6 milionu dolarů společnosti Emerging AG, lobbistické společnosti, aby se vyhnula mezinárodnímu moratoriu na tuto vysoce kontroverzní techniku, moratoriu, které je v současné době předmětem jednání s Úmluvou o biologické rozmanitosti .
Tata Trusts , charitativní organizace se sídlem v Bombaji, také investovala několik milionů dolarů do projektů genového pohonu, zejména v boji proti malárii.
v prosince 2016, světové vlády odmítly na zasedání OSN o biologické rozmanitosti výzvy k celosvětovému moratoriu na techniky genového pohonu .
The 19. července 2017Společnost DARPA oznámila investici do technologií úpravy genů ve výši 65 milionů USD. Většina peněz bude investována do technik genového pohonu. V roce 2017 se DARPA stala s touto investicí největším donorem na světě v oblasti výzkumu genových pohonů. Cílem těchto investic je zejména vyvinout nástroje proti šíření vynucených genů mimo kontrolu. Takové metody by mohly zahrnovat chemikálie blokující editaci genů nebo „antigenové mechanismy“, které mohou zvrátit genetickou modifikaci nebo imunizovat nezměněné divoké organismy tak, aby byly rezistentní vůči genové mechanice. Obálka pro Darpu, agenturu americké armády, by nakonec činila 100 milionů dolarů.
U druhů, které se množí sexuálně , je většina genů přítomna ve dvojím vyhotovení (jako různé alely nebo ne). Každá z těchto kopií má 50% šanci na zdědění. Aby se určitá alela mohla šířit velkou populací, musí poskytovat evoluční výhodu, která zvyšuje šance jednotlivců na reprodukci a předání této kopie genu. Některé alely však vyvinuly molekulární mechanismy, které jim dávají větší šanci na přenos než 50% běžně pozorovaných. To jim umožňuje šířit se populací, i když tato kopie genu neposkytuje evoluční výhodu nebo dokonce snižuje schopnost každého organismu se množit. Podobnou změnou dědičnosti určitých genů by mohly být použity syntetické genové pohony k šíření změn mezi populacemi.
Na molekulární úrovni fungují endonukleázové genové pohony tak, že štěpí chromozomy a nutí buňku napravit poškození způsobené kopírováním sekvence genového kmene na poškozené vlákno a generováním dvou identických kopií na obou vláknech chromozomu. Tato technika je odvozena z technik úpravy genomu a využívá skutečnosti, že zlomy dvouřetězců jsou nejčastěji opravovány homologní rekombinací, pokud je gen přítomen v každém řetězci. Oprava se provádí vzácněji spojením nehomologního konce, v takovém případě nucení nefunguje. V případě homologní rekombinace má buňka dvě kopie „vynuceného genu“. K dosažení tohoto cíle jsou jednotky genu endonukleázy tvořeny dvěma vzájemně propojenými prvky:
V důsledku toho inzerce „vynuceného genu“ do genomu způsobí jeho automatické šíření v potomcích jedinců. Každý jedinec, který zdědí jednu kopii genu „divokého typu“ a „vynuceného genu“, předá pouze „vynucený gen“. Pokud je gen již ve vajíčku přítomen (například když je přijat od rodiče), budou jej nést všechny gamety jedince (místo 50% v případě normálního genu).
CRISPR / Cas9 je metoda objevená v roce 2013, která slouží k dělení DNA a díky níž je genetické inženýrství rychlejší, jednodušší a efektivnější. Tento přístup spočívá v expresi RNA naváděné Cas9 endonukleázy s „průvodní“ RNA umožňující zacílit na konkrétní sekvenci, která má být modifikována. Když Cas9 odřízne cílovou sekvenci, buňka často opraví poškození nahrazením původní sekvence homologní DNA. Zavedením další sekvence s vhodnými homologními konci lze Cas9 použít k odstranění, přidání nebo úpravě genů s bezkonkurenční přesností do roku 2013. Od roku 2014 byla metoda úspěšně testována v buňkách 20 druhů , včetně lidí. U mnoha z těchto druhů modifikace změnila jejich zárodečnou linii a umožnila jejich zdědění.
Esvelt a jeho kolegové poprvé v roce 2014 navrhli, že CRISPR / Cas9 lze použít ke konstrukci genové jednotky endonukleázy. V roce 2015 vědci vyvinuli a úspěšně implementovali metodu genového pohonu pomocí CRISPR u Saccharomyces , Drosophila a komárů. Všechny čtyři studie prokázaly extrémně účinnou modifikaci genetické dědičnosti v průběhu následujících generací.
Vzhledem k flexibilitě cílení CRISPR / Cas9 bylo možné teoreticky použít vynucení genů k modifikaci téměř jakékoli vlastnosti. Na rozdíl od předchozích návrhů by mohl být upraven tak, aby blokoval vývoj tréninkové rezistence v cílové populaci zaměřením na více sekvencí ve vhodných genech. CRISPR / Cas9 by také mohl umožnit řadu architektur genové kontroly, které mají spíše kontrolovat než ničit populace. Rovněž se zdá možné dosáhnout genového pohonu pomocí jiné RNA řízené endonukleázy, jako je CRISPR / Cpf1.
V roce 2018 uspěli vědci z Imperial College London v laboratorním experimentu, který vedl k vyhynutí populace komárů Anopheles gambiae přenášejících malárii za 7 až 11 generací . Modifikace genu „doublesex“, který určuje pohlaví hmyzu během jeho vývoje, pomocí CRISPR-Cas9, umožnila zabránit jeho reprodukci. Vědci nezaznamenali žádný odpor mezi populací studovanou v laboratoři.
Vzhledem k tomu, že s každou generací nemůže nikdy více než zdvojnásobit frekvenci, vyžaduje genový pohon zavedený jediným jedincem obvykle desítky generací, aby ovlivnil podstatnou část populace. Je možné produkovat a uvolňovat velké množství jedinců obsahujících „vynucený gen“, aby během několika generací ovlivnili zbytek populace. Například zavedením do každé tisíciny jedince trvá pouze 12 až 15 generací, než se gen objeví u všech jedinců. Zda se vynucený gen v populaci nakonec přichytí a jak rychle, bude záviset na jeho vlivu na fyzický stav jednotlivců, na rychlosti přeměny alely a na struktuře populace. V dobře smíšené populaci as realistickými frekvencemi přeměny alel (≈ 90%) populační genetika předpovídá, že vynucený gen bude nastaven na selekční koeficient nižší než 0,3. Jinými slovy, genetické impulsy lze použít nejen k šíření prospěšných genetických změn, ale také škodlivých, pokud se reprodukční úspěch nesníží o více než 30%. To je v ostrém kontrastu s normálními geny, které se mohou šířit ve velké populaci, pouze pokud jsou prospěšné.
Genový pohon lze použít pro dvě hlavní třídy aplikací, které, i když jsou založeny na stejné technologii, mají výrazně odlišné důsledky:
Vzhledem k nebývalému potenciálu genového pohonu byly navrženy a testovány ochranné mechanismy.
Protože se genová jednotka šíří nahrazením jiných „divokých“ alel , její použití je omezeno na druhy, které se množí sexuálně (protože jsou diploidní a alely jsou v každé generaci smíšené). Jako vedlejší účinek by inbreeding mohl být v zásadě zvolen jako únikový mechanismus, ale je obtížné posoudit, do jaké míry k tomu může v praxi dojít.
Vzhledem k počtu generací potřebných pro úspěšný genový pohon genu v celé populaci může technika u některých bezobratlých vyžadovat méně než rok, ale u organismů s delšími intervaly před dosažením pohlavní dospělosti, jako u lidí, staletí. Proto je tato technologie vhodnější pro druhy s krátkým reprodukčním cyklem.
Mezi problémy, které vědci identifikovali, patří:
Jednou z možných aplikací genového pohonu je genetická modifikace komárů a dalších vektorů chorob tak, aby již nemohly přenášet nemoci jako malárie a dengue . V červnu 2014 zveřejnil zvláštní program Světové zdravotnické organizace (WHO) pro výzkum a výcvik v oblasti tropických nemocí pokyny pro hodnocení geneticky modifikovaných komárů. V roce 2013 zveřejnil Evropský úřad pro bezpečnost potravin protokol o hodnocení životního prostředí pro všechny geneticky modifikované organismy. Vědci odhadují, že použitím nové techniky na pouhé 1% populace divokých komárů by mohli ve stejném roce vymýtit malárii , avšak tato technologie, která by v každé generaci způsobila kopii pasty modifikovaného genu, ještě není k dispozici.
Genový pohon by mohl být použit k eliminaci invazivních druhů . Tato myšlenka byla například navržena na Novém Zélandu.
V červenci 2016 představil předseda vlády Nového Zélandu projekt Predator Free 2050 , vládní program zaměřený na úplné odstranění do roku 2050 osmi invazivních druhů dravých savců (krysy, lasice a vačice). V lednu 2017 bylo oznámeno, že v rámci tohoto úsilí bude použita technologie genového pohonu.
V roce 2017 zveřejnily dvě skupiny v Austrálii a Texasu předběžný výzkum tvorby „myší bez potomků“ pomocí genového pohonu, který je u savců první. Tyto „myši bez potomků“ jsou považovány za průlomové a zvláště užitečné pro Nový Zéland a další ostrovy, které čelí napadení savců. Tento projekt je jedním z projektů financovaných Darpou (americká armáda).
Tým se sídlem ve Velké Británii doufá , že již v roce 2024 zahájí polní testy proti komárům druhu Anopheles gambiae , hlavnímu vektoru malárie v Africe .