Strategie zastępowania populacji w celu kontroli populacji wektorów i wykorzystanie Wolbachia pipientis do napędu genetycznego

Nazywam się dr Jason Rascon. Jestem adiunktem w Johns Hopkins Bloomberg School of Public Health w Katedrze Mikrobiologii Molekularnej i Immunologii, a także w Johns Hopkins Malaria Research Institute. Moje zainteresowania naukowe obejmują szeroko pojęte zależności między genetyką populacji wektorów a epidemiologią patogenów przenoszonych przez wektory.

Malaria jest obecnie najważniejszą chorobą przenoszoną przez wektory na świecie. Jest to ogromna przyczyna zgonów; według różnych statystyk rocznie zabija od jednego do 3 milionów ludzi.

Większość z nich to dzieci poniżej piątego roku życia w Afryce. Jest to zatem ogromny problem. Nie chodzi tutaj tylko o śmiertelność, ale jest to również ogromne obciążenie pod kątem zachorowalności i zdrowia publicznego, a także ciężar dla gospodarki obszarów dotkniętych tą chorobą; jest to naprawdę poważny problem.

Warto zauważyć, że w Ameryce Południowej, Afryce i Azji jest to problem o charakterze światowym, który ponownie powraca. System napędu genowego (gene drive) sprawia, że strategie te są w teorii możliwe do realizacji pod względem ekonomicznym. Idea polega na tym, że można w zasadzie zastąpić populację bardzo małą liczbą zmodyfikowanych owadów.

Mechanizm ten, mechanizm napędu genowego, rozprzestrzeni daną cechę w populacji do wysokiej częstotliwości. Można to rozumieć w następujący sposób: w normalnych warunkach, powiedzmy, stworzyliśmy transgenicznego owada, który posiada jedną kopię genu, ponieważ owady te są zazwyczaj diploidalne. Posiadają one dwie kopie każdego chromosomu.

A jeśli spotkają się z osobnikiem typu dzikiego wyłącznie w wyniku przypadku, można by oczekiwać, że 50% ich potomstwa będzie posiadać tę cechę. Następnie 50% tego potomstwa będzie ją posiadać i w ten sposób cecha ta po prostu z czasem ulegnie rozcieńczeniu.

Mechanizm napędu genowego (gene drive) sprawia, że dzięki różnym strategiom lub mechanizmom ponad 50% potomstwa przejmie daną cechę. W efekcie jej częstotliwość będzie z czasem wzrastać, zamiast ulegać rozcieńczeniu lub pozostawać na tym samym poziomie. Najpierw musimy przygotować system napędu genowego.

W rzeczywistości nie istnieje żaden funkcjonalny system napędu genowego, który działałby poza laboratorium. Istnieje kilka systemów, które mogą pracować w określonych warunkach w bardzo kontrolowanych środowiskach laboratoryjnych, ale nie dysponujemy jeszcze rozwiązaniem, które byłoby na etapie umożliwiającym faktyczne wdrożenie do naturalnych populacji w terenie. Obecnie rozważa się wiele różnych mechanizmów napędu genowego.

Wszystkie mają swoje zalety i wady, więc w rzeczywistości żadna z nich nie wydaje się być z natury lepsza od pozostałych. Akia Pipi jest bakterią dziedziczoną obligatoryjnie w linii żeńskiej. Jest ona blisko spokrewniona z Rickettsia i jest przenoszona wyłącznie, przez co najmniej czas ewolucyjny, ekologiczny, z matki na potomstwo.

Zatem matka jest zakażona i rodzi zakażone potomstwo, natomiast samiec nie jest zakażony i akia poprzez szereg różnych mechanizmów występujących w naturze. Jest to prawdopodobnie najbardziej rozpowszechniona endosymbiotyczna bakteria na Ziemi. Szacuje się, że występuje u maksymalnie 75% wszystkich znanych owadów.

Manipuluje ona reprodukcją gospodarza w taki sposób, aby zmaksymalizować swoją transmisję do następnego pokolenia. Ponieważ samce są dla tej bakterii gospodarzami ślepymi, podejmuje ona działania mające na celu zwiększenie liczby zainfekowanych samic. W określonych systemach może ona przekształcić genetyczne samce w funkcjonalne samice lub sprawić, że samice staną się partenogenetyczne, przez co nie muszą one w ogóle kopulować.

Mogą one po prostu mieć zainfekowane potomstwo żeńskie, które z kolei mają zainfekowane potomstwo żeńskie. I komary. Akia wywołuje zjawisko zwane niekompatybilnością cytoplazmatyczną.

I właśnie tutaj samce, ponieważ są gospodarzami ślepymi dla bakterii, są wykorzystywane jako konie trojańskie do obniżenia dostosowania niezakażonych samic w populacji. Jeśli zatem zakażony samiec kopuluje z niezakażoną samicą, powoduje jej sterylizację. Natomiast zakażone samice pozostają sprawne, niezależnie od tego, czy kopulują z zakażonym, czy z niepozakażonym samcem.

Zatem zakażone samice mają więcej potomstwa, ponieważ żadne z ich kopulacji nie są sterylnie. Potomstwo to jest również zakażone i ono także ma więcej potomstwa. Dzięki temu bakteria ta może szybko rozprzestrzeniać się w populacjach, osiągając wysoką częstotliwość występowania.

Koncepcja ta polega na wykorzystaniu zdolności akia do rozprzestrzeniania się w populacjach jako sposobu na wprowadzanie pożądanych genów do tych populacji. W miarę jak akia rozprzestrzenia się w owadach, pożądany gen – na przykład gen odporności na malarię – rozprzestrzeniałby się poprzez tzw. genetic hitchhiking. Akia występuje powszechnie u owadów.

Analizując komary z różnych rodzajów, okazuje się, że niemal każdy rodzaj jest zainfekowany. Nie każdy gatunek w obrębie rodzaju jest zainfekowany, ale w każdym rodzaju występują zainfekowane gatunki, z wyjątkiem anolie. Nie znane są żadne naturalne infekcje anomolie.

Zatem nie chodzi o Anis gambier, ani o żadne anomalie. Jest to w rzeczywistości główny obszar zainteresowań mojej grupy badawczej. Próbujemy zainfekować Anis i udało nam się przynajmniej wykazać, że wbaa może infekować komórki Anis gambier.

Zatem w hodowli komórkowej. Staramy się przenieść z tego systemu hodowli komórkowej in vitro do systemu in vivo u komarów, ale nikt jeszcze tego nie zrobił. Dlatego jest to stosunkowo proste.

Posiadają Państwo klatkę z komarami, które nie mają Państwa genu, oraz szczep komarów, który go posiada – przyjmijmy, że jest on powiązany z Akia lub innym mechanizmem napędu genowego. W zasadzie zaszczepiają Państwo swoją naiwną populację w klatce komarami z populacji eksperymentalnej, stosując różne częstotliwości, a następnie hodują je, pobierając losowe próby w każdym pokoleniu. Czynność tę powtarzają Państwo w każdym kolejnym pokoleniu, aby zaobserwować, jak częstotliwość występowania tego genu zmienia się w czasie. W ten sposób proces ten można kontynuować do określonej liczby pokoleń.

Procedurę tę można prowadzić do momentu, aż dany gen osiągnie określoną częstotliwość lub do czasu jego zaniku. Są to w rzeczywistości bardzo proste eksperymenty do przeprowadzenia w laboratorium. Polegają one po prostu na rozmnażaniu komarów w każdym pokoleniu w sposób standardowy.

Istnieje zatem wiele kwestii etycznych. Myślę, że po pierwsze musimy mieć pewność, czy to rzeczywiście zadziała? Czy będzie to lepsze od strategii, które są obecnie dostępne? Wiele osób z natury nie ufa organizmom modyfikowanym genetycznie w ogóle.

Musimy zatem być w stanie rozwiązać ten problem. Kiedy uwalniamy genetycznie zmodyfikowane komary, powiedzmy, w kraju A, który ich chce, a kraj B znajduje się tuż obok i ich nie chce, komary te nie będą respektować tej granicy. Zatem jeśli mechanizmy napędu genowego zadziałają tak, jak chcemy, ten gen będzie się rozprzestrzeniać, a komary przeniosą go praktycznie wszędzie w obrębie zasięgu występowania tego gatunku.

Zatem tego rodzaju kwestie polityczne, etyczne, społeczne i prawne muszą zostać bardzo dokładnie rozważone. Musimy mieć pewność, że nie pogorszymy sytuacji zamiast ją poprawić. Dlatego naprawdę chcemy zrozumieć wszystko, co dzieje się w środowisku, zanim w ogóle dopuścimy do ich uwolnienia.

Zatem ponownie, istnieją dwie różne kategorie. Są przeszkody naukowe, które są poważne, ale nad nimi pracujemy. I ponownie, istnieją przeszkody społeczne, etyczne i prawne.

Sądzę, że z czasem będziemy w stanie rozwiązać kwestie naukowe. Mam na myśli to, że obecnie nie istnieje mechanizm napędu genowego działający u komarów, który byłby możliwy do zastosowania. Istnieje kilka bardzo aktualnych badań, które wyglądają obiecująco w przypadku Drosophila, ale nie zostały one jeszcze przeniesione na komary.

Sądzę jednak, że to właśnie są kwestie, nad którymi pracujemy i wie Państwo, że w ciągu ostatnich 10, 15 lat poczyniliśmy znaczne postępy. W ciągu najbliższych 10 lat poczynimy ich znacznie więcej. Naprawdę uważam, że kwestie naukowe są ostatecznie rozwiązywalne; gdy już będziemy dysponować szczepami komarów odpowiednimi do wypuszczenia na wolność, ludzie muszą nam po prostu pozwolić na ich uwolnienie.

Sądzę, że tego rodzaju przeszkody będą znacznie trudniejsze do pokonania niż kwestie naukowe. To coś, co zajmie dużo czasu, a ostatecznie może się okazać, że ludzie po prostu nie będą chcieli ich zaakceptować.

I tak naprawdę, wie Pan, nie wiele możemy z tym zrobić, jeśli taka będzie sytuacja w tym momencie. Ogólnie rzecz biorąc, dostępnych jest całkiem sporo funduszy. Oczywiście, więcej funduszy zawsze się przyda, ale National Institutes of Health, WHO oraz Fundacja Gatesa przeznaczają obecnie bardzo duże środki na walkę z chorobami przenoszonymi przez wektory.

Malaria i w szczególności denga. Myślę, że jeśli chodzi o dostępne fundusze, jest ich wiele. Nie powinny one wszystkie trafiać w jeden konkretny cel, wie Pan, nie powinny wszystkie być przeznaczane na genetycznie modyfikowane komary.

Nie wszystko powinno być przeznaczane na insektycydy. Musimy jednak w pewnym sensie zdywersyfikować nasze strategie i naprawdę spróbować zaatakować ten problem z każdej możliwej strony. Niemniej jednak finansowanie jest dostępne.

Mam na myśli to, że obecnie finansowanie jest trudne dla każdego, ale.