Жизнь, которую мы создали. Как пятьдесят тысяч лет рукотворных инноваций усовершенствовали и преобразили природу

В нашем геноме содержатся преступные элементы – элементы, нарушающие менделевский закон расщепления признаков, согласно которому у каждого аллеля равные шансы передаться следующему поколению, элементы, которые благодаря своей подрывной деятельности пробираются в следующее поколение чаще, чем следует. Одни такие элементы влияют на разделение хромосом во время мейоза (когда образуются гаметы – сперматозоиды или яйцеклетки), чтобы повысить свои шансы очутиться в клетке, из которой получится яйцеклетка. Вторые, став частью генома сперматозоида или яйцеклетки, уничтожают другие сперматозоиды или яйцеклетки. Эти элементы – эволюционные злодеи, и их так и называют – убийцы, исказители, суперэгоисты. А еще их называют генные драйвы.

Описанные элементы – это естественные генные драйвы. Но их можно создавать и искусственно, методами генной инженерии. Пока что ни один искусственный генный драйв не просочился в естественную среду, однако их вовсю разрабатывают и биотехнологические компании, и государственные институты, и биологи-специалисты по охране природы. О генных драйвах задумываются, когда нужно контролировать вредителей и сорняки, бороться с инвазионными видами и даже просто помогать видам адаптироваться к изменениям условий обитания. Генные драйвы привлекательны тем, что способны распространить ту или иную черту по всей популяции быстрее, чем естественный отбор. Но это в них и настораживает.

План проекта Target Malaria по искоренению малярии в Африке южнее Сахары состоит из трех этапов. На первом этапе ученые выпустили генно-инженерных бесплодных самцов – эта работа и началась в Буркина-Фасо в 2019 году. На втором этапе будет выпущен самоограничивающийся вариант Anopheles gambiae

, который, подобно самоограничивающимся Aedes компании Oxitec

, способен сохраняться в популяции несколько поколений, а затем исчезает. На третьем этапе Target Malaria собирается выпустить комара, который сократит количество самок вплоть до нуля. Для этого ученым нужно создать генный драйв.

Генные драйвы, необходимые для реализации честолюбивых планов третьего этапа проекта Target Malaria

, разрабатывают Остин Барт и Андреа Кризанти из Имперского колледжа в Лондоне. С 2003 года Барт и Кризанти работают над созданием генного драйва, способного истребить всю популяцию комаров. Появление технологии редактирования генома CRISPR в 2012 году приблизило решение этой задачи. Если компоненты CRISPR – молекулярные механизмы, позволяющие найти и разрезать нужный участок ДНК при подготовке к редактированию генома, – внедрить в качестве части редактированной ДНК в геном, геном сможет, в сущности, редактировать сам себя. Модификация станет распространяться самостоятельно.

Для сравнения вернемся к тому, что обычно происходит с редактированной ДНК. При нормальном генно-инженерном сценарии геном особи, скажем, самца редактируется так, чтобы обе его хромосомы содержали в себе нужную модификацию. Когда этот самец спаривается с дикой самкой, их потомки будут гетерозиготными, то есть унаследуют один редактированный аллель от отца и один дикий аллель от матери. При спаривании гетерозиготных особей с дикими особями половина их потомства унаследует редактированный аллель, а другая половина – дикий аллель. Такое распределение наследственных признаков соответствует менделевскому закону расщепления.

При сценарии с участием генного драйва редактированный аллель наследуют все. Когда редактированный самец спаривается с дикой самкой, их потомство поначалу будет гетерозиготным – все унаследуют редактированный аллель от отца и дикий аллель от матери. Но на ранних стадиях развития компоненты CRISPR в редактированном аллеле будут транскрибированы, то есть изготовлены клеткой вместе со всеми остальными белками, необходимыми клетке для функционирования. Затем эти компоненты CRISPR будут находить, разрезать и редактировать дикий аллель, унаследованный от матери, и превращать его в редактированный. Все потомство станет гомозиготным по редактированному аллелю. А поскольку редактированный аллель (и CRISPR) окажется теперь в обеих хромосомах, то же самое будет происходить, когда эти особи станут скрещиваться с дикими особями. И в следующем поколении тоже. И в следующем. И так далее. В конце концов у каждой особи в популяции окажется по две копии редактированного аллеля.

При таком сценарии легко представить, что самораспространяющийся генный драйв может и правда быстро охватить всю популяцию. Но для этого нужно, чтобы аллель, соответствующий драйву, не менялся. Любые мутации, затрагивающие либо компоненты CRISPR, либо участок ДНК, который должны распознавать эти компоненты, уничтожат генный драйв. А если черта, распространяемая по популяции, снижает приспособленность каждой особи, например, делает ее бесплодной, то возникает мощное давление отбора, нацеленное на искоренение драйва. Ведь бесплодие, мягко говоря, эволюционно невыгодно.