Przetrwanie najlepiej przystosowanych to darwinowska idea, że osoby, które posiadają geny najlepiej przystosowane do swojego środowiska, przekażą te geny kolejnym pokoleniom1. Oznacza to, że to sprawność fizyczna decyduje o tym, czy ich geny przetrwają. Ta licząca ponad 150 lat koncepcja jest prawdopodobnie najważniejszym wyznacznikiem inżynierii skutecznego napędu genowego u transgenicznych komarów. Napędy genowe, czyli super-mendlowski wzorzec dziedziczenia samolubnego elementu genetycznego, który pozwala mu rozprzestrzeniać się w populacjach2, są badane pod kątem genetycznego zwalczania szkodników3. W kontekście kontroli wektorów strategia ta ma na celu albo zastąpienie stawonogów typu dzikiego (WT) tymi odpornymi na patogeny (modyfikacja populacji), albo wyeliminowanie ich wszystkich razem (tłumienie populacji)4. Jednak transgeniczne komary często wykazują koszty sprawności (zwane również obciążeniem genetycznym) w porównaniu z ich odpowiednikami WT, co oznacza, że transgen zostanie utracony w populacjach, które mogą je pokonać. Sprzężenie transgenów z systemem napędu genowego jest zatem konieczne, aby zrównoważyć wszelkie koszty przystosowania i przepchnąć transgen przez populację na poziomie wyższym niż oczekiwano od typowego dziedziczenia mendlowskiego4.
Badania laboratoryjne nad gatunkami komarów-wektorów wykazały, że transgeny często wykazują koszty sprawności5,6,7. Na przykład Irvin i wsp. zmierzył różne parametry życia Aedes (Ae.) aegypti zmodyfikowanych do ekspresji genów wzmocnionego białka zielonej fluorescencji (eGFP) lub transpozazy pod promotorami aktyny Drosophila 5C lub syntetycznych promotorów 3XP3 i porównał je z dzikim szczepem Orlando (to samo tło genetyczne, z którego pochodziły)5. Przede wszystkim odkryli, że wszystkie transgeniczne szczepy znacznie obniżyły sprawność reprodukcyjną5. W zależności od transgenu, niektóre komary Anopheles (An.) wykazujące ekspresję transgenów, które hamowały rozwój pasożyta Plasmodium, również wykazywały koszty przystosowania6. W szczególności An. stephensi wykazujący ekspresję fosfolipazy jadu pszczelego (PLA2) pod konstytutywnymi lub indukowanymi mączką krwiopochodną promotorami składał znacznie mniej jaj w porównaniu z kontrolami6. Autorzy ci odkryli również, że transgeniczne Anopheles wykazujące ekspresję innego transgenu, tetrameru dodekapeptydu SM1, nie wykazywały kosztów przystosowania, co doprowadziło ich do wniosku, że koszty dopasowania wynikające z transgenu są zależne, przynajmniej częściowo, od efektu wytworzonego białka transgenicznego6. Rzeczywiście, koszty dopasowania można przypisać produktom transgenowym, efektom pozycyjnym, efektom off-target, mutagenezie insercyjnej lub efektom chowu wsobnego w szczepach hodowanych w laboratorium7. Napędy genowe muszą być zatem wystarczająco solidne, aby zrównoważyć te koszty sprawności wywołane przez transgeny, jednocześnie unikając rozwoju insercji i delecji (indeli), które blokują sam napęd.
Koszty rozwoju lub sprawności reprodukcyjnej mogą być mierzone w badaniach laboratoryjnych lub klatkach7, z zastrzeżeniem, że nieznane czynniki w tej dziedzinie mogą również mieć wpływ. Niemniej jednak, kontrolowane badania sprawności są ważnym pierwszym krokiem przy planowaniu lub ocenie genetycznie modyfikowanych uwolnień komarów, takich jak program napędu genowego, w celu ustalenia, czy linia transgeniczna utrzyma się przez kolejne pokolenia. Na przykład Hammond i wsp. oceniono Napędy genowe oparte na gambiowym CRISPR/Cas9 mające na celu zakłócenie genów niezbędnych dla płodności kobiet8. Dzięki badaniom klatkowym prowadzonym przez co najmniej 25 pokoleń autorzy odkryli, że komary miały allele oporne na napęd genowy, które blokowały rozszczepienie ukierunkowane na CRISPR i przywracały płodność samic8. Ich wysiłki w zakresie modelowania sugerowały, że płodność u samic heterozygotycznych pod względem napędu genowego miała najbardziej dramatyczny wpływ na utrwalenie napędu genowego w symulowanych warunkach8. Idąc tym tropem, Ae. aegypti (Higgs' White Eye strain, HWE) zmodyfikowany do ekspresji autonomicznych kaset napędu genowego pod różnymi promotorami lub w różnych loci międzygenowych wykazywał różne wskaźniki fiksacji napędu genowego w symulowanych populacjach9. Korzystając z modelowania MGDrivE10, w połączeniu z zmierzonymi wskaźnikami powstawania indel, efektami matczynymi i danymi dotyczącymi parametrów życia zebranymi w laboratorium, autorzy odkryli, że przystosowanie komarów najsilniej wpłynęło na trwałość napędu genowego w symulowanych warunkach9. Koszty sprawności, które najprawdopodobniej pogorszą wydajność napędu genowego, można przypisać somatycznej ekspresji Cas9 (nad) lub genowi, który jest celowany, szczególnie u heterozygot, a nie samemu popędowi wewnętrznemu11,12,13,14,15,16,17.
Biorąc pod uwagę jego znaczenie, dopasowanie jest ważnym czynnikiem dla zdolności linii transgenicznej do przetrwania przez kolejne pokolenia i może być używane jako wskaźnik wszelkich fizjologicznych efektów związanych z transgenem. Na przykład efekty niezgodne z celem mogą być związane z kosztami sprawności. W takim przypadku zaleca się krzyżowanie wsteczne linii transgenicznej przez kilka pokoleń. Co więcej, przekroczenie linii transgenicznej z tą, która odzwierciedla populację terenową, może być również konieczne do zbadania, jak dobrze populacja transgeniczna może konkurować w świecie rzeczywistym. Aby określić ilościowo koszty przystosowania, tak aby można je było porównać, w niniejszym manuskrypcie przedstawiono proste protokoły pomiaru typowych cech historii życia komarów Ae. aegypti, ze szczególnym naciskiem na koszty przystosowania związane z transgenami, dzięki czemu takie badania można łatwiej odtworzyć. Protokoły obejmują płodność, płodność, stosunek płci, żywotność, czas rozwoju, wkład samców i długowieczność dorosłych. Pomiar długości i powierzchni skrzydeł został również wybrany jako pomiar sprawności, ponieważ koreluje z długością klatki piersiowej18,19 i pomiarami wielkości ciała, co jest bezpośrednio związane z wielkością mączki krwi, płodnością i odpornością20,21. Chociaż istnieje wiele sposobów oceny sprawności, parametry te zostały wybrane, ponieważ odzwierciedlają sukces reprodukcyjny, są łatwe do zmierzenia i są powszechnie opisywane w literaturze.