Une nouvelle approche devrait bientôt permettre de modifier le génome de populations entières de plantes ou d’animaux afin de vaincre des maladies ou de changer leurs propriétés de résistance: un processus considéré comme utopique jusqu’à récemment. Les experts estiment cependant que les progrès du génie génétique sont tels que ce genre d’interventions sont imminentes. Le processus - dénommé «Gene drive» - repose sur les propriétés de ce que l’on appelle des éléments génétiques égoïstes. Un tel processus permettrait d’introduire certaines propriétés sélectionnées dans des organismes vivant en liberté, qui se propageraient rapidement à l’ensemble de la population. Mais comme la plupart du temps, la recherche en matière de risques et la réglementation en matière d’évolution technologique prennent beaucoup de retard. (Telepolis, 04.08.14)
a) Source: Telepolis, 04.08.14
http://www.heise.de/tp/artikel/42/42407/1.html
"Gene drive" - ein Eingriff in das Erbgut frei lebender Organismen
Forscher stoßen die Diskussion um eine potentiell folgenschwere Methode an, die schon bald ganze Populationen verändern könnte
Die Manipulation des Erbguts von wild lebenden Organismen könnte dabei helfen, Krankheiten zu besiegen und invasive Arten zurückzudrängen. Was vor gut zehn Jahren als utopische Idee formuliert wurde, ist durch den Fortschritt der Gentechnologie in greifbare Nähe gerückt. Renommierte Forscher suchen einen gesellschaftlichen Konsens, bevor die Entwicklung der entsprechenden Methoden beginnt.
Insekten übertragen tödliche Krankheiten, Schädlinge entwickeln Resistenzen gegen Pestizide, invasive Arten bedrohen lokale Ökosysteme - mit konventionellen Methoden hat man diese Probleme bislang nicht in den Griff bekommen. Ein neuartiger Lösungsansatz könnte darin bestehen, gezielt in das Erbgut von frei lebenden Populationen einzugreifen. Die Mittel dazu werden wohl bald zur Verfügung stehen. Renommierte Forscher sind überzeugt, dass diese dann auch unweigerlich zur Anwendung kommen.
Dieser Eingriff in die Natur könnte weitreichende Folgen haben. Ein gesellschaftlicher Konsens über Einsatz und Grenzen dieser Methode wäre dringend notwendig, doch dafür bleibt vermutlich wenig Zeit. In der jüngsten Ausgabe des Journals eLife haben Forscher um den US-amerikanischen Genom-Pionier George Church einen Artikel veröffentlicht, der die Grundlagen dieses radikalen Konzepts darstellt und zu einer öffentlichen Diskussion aufruft (Esvelt et al., Concerning RNA-guided gene drives for the alteration of wild populations, eLife, Juli 2014).
Egoistische Gene
Die Idee ist jetzt etwas mehr als 10 Jahre alt. Der britische Forscher Austin Burt veröffentlichte 2003 einen Fachartikel, indem er einen möglichen Ansatz für die genetische Manipulation von wild lebenden Populationen beschrieb (A. Burt, Site-specific selfish genes as tools for the control and genetic engineering of natural populations, Proceedings Biological sciences / The Royal Society, März 2003). Das Verfahren - unter dem Begriff "gene drive" bekannt geworden - setzt auf die Eigenschaften von sogenannten egoistischen genetischen Elementen. Diese können gewünschte Eigenschaften - etwa Resistenzen gegen Krankheitserreger - in frei lebende Organismen einbringen und schnell in der gesamten Population verbreiten.
Egoistische Elemente umgehen dabei die Regeln der normalen geschlechtlichen Vererbung. Tiere und Pflanzen tragen von jedem Gen meist zwei Varianten, doch bei einer sexuellen Fortpflanzung gibt jedes Elternteil nur eine dieser Varianten an die Nachkommen weiter. Die Wahrscheinlichkeit, dass eine Variante vererbt wird, beträgt also 50 %. Ob sich eine Genvariante in den folgenden Generationen durchsetzt, hängt von ihrem Einfluss auf die Fitness des Individuums ab: Vorteilhafte Varianten werden sich über die Zeit in der Gesamtpopulation anreichern, nachteilige Varianten werden letztlich aussterben.
Im Gegensatz dazu werden egoistische Elemente mit einer Wahrscheinlichkeit von mehr als 50 % vererbt. Sie können sich deshalb selbst dann in einer Population durchsetzen, wenn sie die Fitness der Individuen beeinträchtigen. Ein einfacher Trick macht dies möglich - egoistische Elemente vervielfältigen sich im Genom.
In der Natur gibt es mehrere Varianten von egoistischen Elementen. Eine davon nutzt ein Enzym, das den DNA-Strang des Erbguts an einer definierten Stelle schneidet. Diese Schädigung löst einen Reparaturmechanismus aus, der vom egoistischen Element genutzt wird, um eine Kopie von sich in die Schnittstelle einzufügen. Das Element hat sich damit verdoppelt, befindet sich im Optimalfall auf beiden homologen Chromosomen und wird mit Sicherheit an die Nachkommen weitergegeben.
Der Schnitt des DNA-Strangs ist dabei ein entscheidender Schritt. Das entsprechende Enzym - Nuklease genannt - sollte idealerweise nur an einer einzigen Stelle im Erbgut schneiden, um unkontrollierbare Nebenreaktionen auszuschließen. Und die Struktur der Nuklease sollte nicht allzu kompliziert sein, da sonst eine getreue Vererbung über viele Generationen nur schwer möglich ist.
An diesen beiden Anforderungen - hohe Spezifität und stabile Vererbung der Nuklease - scheiterten bisherige Bemühungen, das Konzept eines gene drive in die Tat umzusetzen. Denn schon bald nach der Publikation von 2003 begannen einige Forschergruppen, genetische Elemente zu entwickeln, welche die Übertragung von Malaria durch Moskitos verhindern sollten. Im Labor waren diese Versuche teilweise erfolgreich, doch die verwendeten Nukleasen waren entweder instabil oder schnitten nicht an der gewünschten Stelle im Erbgut. Für den Einsatz in frei lebenden Populationen waren sie nicht geeignet.
Erfolgversprechende Methode gefunden
Doch ein Durchbruch in der Gentechnologie hat die Erfolgsaussichten erheblich verbessert. Forscher haben in Bakterien einen Schutzmechanismus gegen Viren entdeckt, der auf hochspezifischen Nukleasen beruht. Dieses CRISPR/Cas-System nutzt kurze Stränge aus RNA (ein Schwestermolekül der DNA), um geeignete Schnittstellen in der DNA zu definieren. Praktisch jede beliebige Sequenz im Erbgut lässt sich damit anvisieren. Im Jahr 2013 wurde dieses System erstmals für die Manipulation von Genen benutzt; es hat sich dabei als so erfolgreich erwiesen, dass es sich rasch in Forschungslabors auf der ganzen Welt durchgesetzt hat.
Das CRISPR/Cas-System erfüllt alle Anforderungen, die zur Verwirklichung eines gene drive notwendig sind. Die Autoren der eLife-Publikation sind daher überzeugt, dass entsprechende Methoden bald entwickelt und dann auch in die Tat umgesetzt werden. Sie sehen vor allem drei mögliche Anwendungsgebiete:
Tödliche Infektionskrankheiten wie Malaria oder Dengue könnten eingedämmt werden, indem die Übertragung durch Moskitos unterbrochen wird. Dazu könnte ein gene drive Gene in das Erbgut der Moskitos einführen, die eine Immunität gegen den Erreger erzeugen. Der Moskito wäre als Zwischenwirt ausgeschaltet und der Mensch vor einer Infektion geschützt.
Die zweite mögliche Anwendung wird in Europa auf massiven Widerstand stoßen: Ein gene drive könnte die Entwicklung von Resistenzen gegen Pflanzenschutzmittel rückgängig machen. Das zielt vor allem auf Herbizide und Pestizide, die von gentechnisch veränderten Nutzpflanzen produziert werden.
Letztlich könnte ein gene drive auch die Ausbreitung von invasiven Arten verhindern. Da sich egoistische Elemente selbst dann ausbreiten, wenn sie die Fitness der Individuen verringern, ermöglichen sie eine Kontrolle der Populationsgröße oder sogar deren Ausrottung. Als Beispiel wird hier die Aga-Kröte genannt, die nach Australien eingeschleppt wurde und dort das natürliche Ökosystem bedroht.
Die Gefahren dieses Ansatzes liegen auf der Hand: Die Folgen für den manipulierten Organismus und dessen Umwelt sind schwer vorhersehbar, im schlimmsten Fall ist auch eine unkontrollierte Ausbreitung des genetischen Elements möglich. Ein gene drive wäre ein tief greifender und riskanter Eingriff in die Natur.
Doch der Eingriff wäre nicht unumkehrbar. So wie ein gene drive ein genetisches Element in das Erbgut einführen kann, so kann er es auch wieder entfernen. Auch ist eine Art von Impfung denkbar, mit der negative Folgen von vornherein ausgeschlossen werden können. Bei unerwarteten Entwicklungen bestände also eventuell die Möglichkeit zu einer Korrektur.
In der Theorie bietet ein gene drive die Möglichkeit, präzise und gezielt in die Natur einzugreifen und dabei schädliche Nebenwirkungen zu minimieren. Ob sich das in der Praxis bestätigt, werden wir wohl bald erfahren: Die technischen Hürden scheinen mittlerweile überwindbar, und in vielen Ländern stoßen Genmanipulationen auf höhere Akzeptanz als bei uns. Die Initiative der Wissenschaftler, die frühzeitig eine öffentliche Diskussion anstoßen wollen, ist lobenswert. Die Gesellschaft muss nun bald darauf reagieren.
b) eLife, 17.7.14
http://elifesciences.org/content/early/2014/07/17/eLife.03401
ACCEPTED MANUSCRIPT
Concerning RNA-guided gene drives for the alteration of wild populations
- Gene drives may be capable of addressing ecological problems by altering entire populations of wild organisms, but their use has remained largely theoretical due to technical constraints. Here we consider the potential for RNA-guided gene drives based on the CRISPR nuclease Cas9 to serve as a general method for spreading altered traits through wild populations over many generations. We detail likely capabilities, discuss limitations, and provide novel precautionary strategies to control the spread of gene drives and reverse genomic changes. The ability to edit populations of sexual species would offer substantial benefits to humanity and the environment. For example, RNA-guided gene drives could potentially prevent the spread of disease, support agriculture by reversing pesticide and herbicide resistance in insects and weeds, and control damaging invasive species. However, the possibility of unwanted ecological effects and near-certainty of spread across political borders demand careful assessment of each potential application. We call for thoughtful, inclusive, and well-informed public discussions to explore the responsible use of this currently theoretical technology. –
- PDF: http://elifesciences.org/content/elife/early/2014/07/17/eLife.03401.full.pdf
c) KPED Blog, 28.7.14
http://blogs.kqed.org/science/2014/07/28/genetic-engineering-wild-populations-could-be-just-around-the-corner/
Genetically Engineering Wild Populations Could Be Just Around the Corner
Imagine someone told you that they had a way to maybe wipe out malaria, create safer herbicides and pesticides and even eliminate those carp destroying the Great Lakes. You’d be interested right?
Now imagine that they told you they plan to do this by releasing selfish genes into mosquito, pest and carp populations out in the wild. These selfish genes could then spread faster than Mendelian genetics would normally allow and take over the genetics of these animals over the span of many generations. Eventually, this would cause the mosquito and carp populations to crash and change the DNA of pests like the western corn rootworms so they are sensitive to safer pesticides like Bt toxin again. Still interested?
I wasn’t either at first. This seems both wildly arrogant and incredibly dangerous. We have such an incomplete understanding of DNA and ecosystems that it seems we might inadvertently do something terrible and possibly irreversible. And yet, after reading a new article in the journal eLIfe and its companion article in Science, I am reconsidering my first gut reaction against these gene drives.
The eLife article spells out how the systems will work and what safeguards might be put into place to reverse any effects if some unexpected consequences become too dangerous and/or troublesome to deal with. As you’ll appreciate in the next section, returning genomes back to their original form is relatively straightforward now that it is so easy to make specific cuts in any genome with systems like CRISPR. (The genome would still have an extra bit of DNA which would make it a bit different from the original but this shouldn’t matter.)
The Science article deals more with the public policy of doing something as radical as releasing these sorts of genes into the wild. The authors talk about regulatory issues that need to be dealt with as well as stating that the entire enterprise will be completely transparent to the public. The scientists involved want to know the public’s concerns so they can address them and only want to go forward with buy in from the major stake holders once all the right regulations are in place. Looks like they’ve learned something about buy in from the continuing debacle that is the (mis)handling of genetically modified organisms.
As is typically the case these days, technology is ahead of regulatory policy with these gene drives. It is definitely a good thing for people to stop and take a breath before plunging into modifications of the genomes of beasts out in the wild.
But we don’t necessarily want to be too fearful or cautious. Around 220 million people each year suffer from malaria with over 600,000 of them dying each year. And thanks to global warming, Africa’s problem is about to become everyone’s problem. Each year we wait means hundreds of millions of people suffering and hundreds of thousands dying.
Of course malaria is just one of the problems we might address with this technology. It can be a little overwhelming to think about all of the problems that can be addressed with gene drives and all of the potential good they could do. Thinking about the dangers can be a little overwhelming as well.
Putting a Dent into Mosquito Populations (and Malaria)
As soon as people made the connection between mosquitoes and malaria, governments started doing everything they could to keep mosquitoes away from people. They’ve drained swamps, sprayed pesticides, given away bed nets and even soaked newspapers in mosquito repellant. In some ways, genetic manipulation is just another way to keep mosquito populations down to decrease people’s risk of getting malaria.
A “simple” way to suppress mosquito populations using genetics was proposed by Aaron Burt back in 2003. The idea is to basically create a male mosquito that mostly fathers only male mosquitoes. As fewer and fewer females are born in each generation, the mosquito population will crash. And depending on how successful the strategy is, it might even wipe the mosquitoes out completely.
The basic idea behind male only births is to create a system that makes lots of cuts to the X chromosome when sperm is being made. Since this will result in sperm that only carry a Y chromosome, all the offspring will be male. In other words, all of the baby flies will get an X from mom and a Y from dad and so be male.
The introduced gene that causes the loss of the X chromosome in sperm cells will quickly become very common in the population as the females die out. The gene will drive through the population faster than a typical gene version which will be inherited by offspring only 50% of the time (hence the term gene drive). All the offspring end up with the gene.
There is also no selection against these mosquitoes. The engineered male should be able to compete with the natural males as it is only their sperm that is affected. These engineered males should cause a devastating collapse in the mosquito population.
CRISPR to the Rescue
Creating a mosquito that fathers only males is simple in theory but until recently, very tricky to pull off. What you need is a way to specifically make cuts in only the X chromosome without cutting up the other chromosomes. And you also need for the introduced gene to remain stable in the mosquito’s genome, generation after generation. The newish technique CRISPR looks like it might be just what the malaria sufferer ordered.
As discussed here, CRISPR is a powerful tool that allows for precise changes in a genome. But this isn’t necessarily what makes it such an important tool for these gene drives. What makes it so workable is that it is not dependent on repeated bits of DNA as are the other specific DNA-altering techniques like zinc fingers or TALENs.
For gene drives to work, the gene has to be stable in the mosquito population for many generations. Both zinc fingers and TALENs require lots of repeated DNA which is just about the most unstable DNA there is. Repeated DNA is often removed when sperm cells are made meaning that genes that rely on zinc fingers or TALENs are lost sooner rather than later. This isn’t CRISPR’s only advantage either.
It is also so easy to “program” CRISPR that it is trivial to make it so multiple sites are cut in the same genome. This decreases the risk that some lucky engineered mosquito will stumble on a mutation that makes it immune to its own X-slaying gene. The odds of getting multiple DNA mutations in the right spot at the same time are astronomically low. In fact, this is the strategy behind the enormously successful cocktail therapy for HIV infection and AIDS.
This easy programmability also means that scientists can undo the changes if need be. For example, they might release mosquitoes with a CRISPR that targets the first CRISPR. Now the original changes will be removed.
Promise and Peril
Of course, there is more to gene drives than just wiping out mosquitoes! For example, similar strategies could also be used to make resistant pests sensitive to certain pesticides again or even to make pests that are sensitive to relatively harmless chemicals. This would require using gene drives to make specific changes in the genes that led to resistance but again, it seems most anything is possible with CRISPR.
Assuming CRISPR lives up to the hype (and so far it has), this is something we are going to be able to do in the very near future. It is important to start thinking about whether we should do it at all. And if we decide to do it, what are the criteria to decide which problems to tackle.
If any problem should be addressed with gene drives it is malaria. The benefits of dealing with malaria probably outweigh any of the risks, especially if we can stop and even reverse the whole thing if there are unexpected consequences. Going after other targets may not be as easy a decision.
Also it is important to keep in mind that reversing the procedure may not undo the damage that is done. If wiping out the mosquitoes causes the ecosystem around it to crash, then reintroducing the mosquito may not rescue the ecosystem.
Still we need to consider whether the benefits outweigh the risks for each case. It may be that significant effects on an ecosystem may be worth 600,000 human lives each year. Or it may be that the effects cause many fewer human deaths than malaria. Not an easy decision to make.
