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24.09.2018

Malaria-Mücken im Labor dank Gene Drive verschwunden

Anlass

Mit einem neuartigen Gene Drive haben Forscher in Großbritannien eine Population von Malaria übertragenden Moskitos in einem Biosicherheitsinsektarium [I] komplett zum Verschwinden gebracht. Die Ergebnisse sind soeben in der Fachzeitschrift „Nature Biotechnology“ erschienen (siehe Primärquelle).Die Wissenschaftler im Projekt „Target Malaria“ [II] haben dabei ein CRISPR-Cas9-Konstrukt für den Genabschnitt doublesex eingesetzt; diese Erbanlage steuert in der Mückenart Anopheles gambiae die Ausdifferenzierung beider Geschlechter. Indem ein Genabschnitt von doublesex entfernt wurde, sind aus den Eiern fitte, fertile Männchen geschlüpft sowie unfruchtbare Weibchen, die keine Eier mehr legen konnten. In Experimenten in zwei Biosicherheitsinsektarien für Mücken wurden dann jeweils 300 normale Weibchen mit 150 normalen und 150 mutierten Männchen verpaart, die im Erbgut das doublesex-Gen mit einem CRISPR-Cas9-Konstrukt getragen hatten. Im ersten Experiment haben die Weibchen bereits nach acht Generationen keine Eier mehr legen können – die Mücken-Population brach zusammen. Im zweiten Experiment hat es elf Generation gedauert, bis der Gene Drive bei allen Weibchen die Fertilität zerstört hatte. Unklar bleibt, ob bei Experimenten in natürlichen Populationen von Moskitos Resistenzen auftreten würden. Die Forscher selbst räumen ein, ihr Gene Drive sei bisher „kein Beweis, dass keine Resistenzen auftreten können“ (siehe Primärquelle). Im nächsten Schritt wollen die Wissenschaftler die Ausbreitung ihrer genetisch veränderten Moskitos nun zunächst unter natürlichen ökologischen Bedingungen simulieren [III] im Einklang mit den Empfehlungen der US-amerikanischen Nationalen Akademien der Wissenschaften zur Biosicherheit von Gene Drives [IV]. Die Forschungen des Konsortiums „Target Malaria“ werden von der Bill & Melinda Gates Foundation und dem Biotechnology and Biological Sciences Research Council UK finanziert.

Übersicht

  • Prof. Dr. Ernst A. Wimmer, Leiter der Abteilung Entwicklungsbiologie, Johann-Friedrich-Blumenbach-Institut für Zoologie und Anthropologie, Georg-August-Universität Göttingen

Statements

Prof. Dr. Ernst A. Wimmer

Leiter der Abteilung Entwicklungsbiologie, Johann-Friedrich-Blumenbach-Institut für Zoologie und Anthropologie, Georg-August-Universität Göttingen

„Im Hinblick auf Gene Drives im Allgemeinen zeigt die Veröffentlichung, dass die Wahl der Zielsequenz im Erbgut entscheidend die Effektivität beeinflussen kann. Die Autoren haben als Ziel eine in vielen Moskito-Spezies konservierte Sequenz genutzt, die wahrscheinlich aufgrund des geschlechtsspezifischen Spleißens (Prozessierungsschritt im Zellkern, bei dem aus der Boten-RNA bestimmte Abschnitte, sogenannte Introns, entfernt werden; Anm. d. Red.) wenig Sequenzvariabilität erlaubt.“

„Die Möglichkeiten, funktionelle, aber abweichende Sequenzen an dieser Stelle im Erbgut durch Gene Drives zu verändern, sind stark begrenzt. Der verwendete Zielort im Erbgut setzt die Wahrscheinlichkeit deutlich herab, durch die Aktivität des ‚Genschere’-Gene Drive resistente Genvarianten zu erzeugen, die dann selektioniert werden können und die Ausbreitung des Gene Drives begrenzen.“

„Die Autoren konnten deshalb auch in zwei Laboransätzen einen Kollaps der Population beobachten. Spezifisch im Hinblick auf Gene Drives mit dem Ziel der Populationssuppression konnten die Autoren zeigen, dass Gene, die für die Geschlechtsbestimmung bei Insekten verantwortlich sind, hervorragende Ziele darstellen.“

„Zudem haben die Autoren für das Anschalten der ‚Genschere’ im Erbgut anscheinend einen idealen Promotor gefunden, der sehr spezifisch genau zu dem Zeitpunkt aktiv ist, an dem die Homologie-abhängige Reparatur (HDR) erfolgt, welche ja das Schlüsselelement des Gene Drives ist. Zu anderen Zeitpunkten findet oft vor allem die nichthomologe Endverknüpfung (NHEJ) eines DNA-Doppelstrangbruchs statt, wobei neue unerwünschte Mutationen entstehen können. Das führt dann in somatischen Zellen zu dementsprechenden Problemen, bei diesem Zielgen zum Beispiel zu Intersexen.“

Auf die Frage, ob in Freiland-Experimenten nicht gegen den Gene Drive resistente Mücken zu erwarten wären:

„Die Autoren schreiben in ihrem Artikel an zwei Stellen sehr deutlich, dass ihre Ergebnisse nicht sagen, dass keine Resistenzen auftreten können. Der Sequenzvergleich von 16 verschiedenen Anopheles-Arten (siehe Supplement, Fig. 8) zeigt auch, dass es durchaus eine begrenzte Varianz an dieser Stelle gibt. Durch die Aktivität der ‚Genschere’ könnten auch hin und wieder genau solche Varianten entstehen, die dann eine Geschlechtsdifferenzierung erlauben würden. Moskitos mit resistenten Genvarianten würden dann herausselektioniert und den Gene Drive wirkungslos machen.“

„Um dies zu vermeiden, sollten auf alle Fälle mehrere Zielstellen gleichzeitig verwendet werden, wie es in der Publikation von KaramiNejadRanjbar et al. [1] per Modell vorgeschlagen und in der Publikation von Champer et al. [2] experimentell gezeigt wurde. Ansonsten wäre es in der Tat zu erwarten, dass in einem groß angelegten Freilandversuch Resistenzen entstehen und selektioniert werden.“

„Meines Erachtens werden in fünf Jahren noch keine Freilandversuche mit Gene Drive stattfinden. Für uns Forscher stellt sich derzeit immer noch das Problem, dass die Effektivität mit den derzeitigen Gene Drive-Versionen nicht wirklich ausreicht – was aber womöglich tatsächlich innerhalb der nächsten fünf Jahre in den Griff zu bekommen sein wird.“

„Für die Freisetzung muss auch der gesellschaftliche Konsens vorhanden sein, und dabei sind nicht nur die Funktionalitäten des Gene Drives zu diskutieren. Ein zusätzlicher Anspruch wären Möglichkeiten, die Ausbreitung des Gene Drives zu begrenzen beziehungsweise eine Rückholbarkeit. Kevin Esvelt [3] arbeitet sehr intensiv daran. Und innerhalb der nächsten fünf Jahre wird es wahrscheinlich auch Konzepte geben, wie solche Gene Drives in der Tat lokal begrenzt einsetzbar sind.“

„Sollten sich diese derzeit noch theoretischen Möglichkeiten realisieren lassen, müssten meines Erachtens diese Konzepte dann zunächst im Labor getestet und erfolgreiche Labor-Gene Drives entsprechend umgestrickt werden. Deshalb wird es wohl mindestens noch zehn Jahre dauern, bis konkret Freilassungsversuche angegangen werden können.“

Angaben zu möglichen Interessenkonflikten

Alle: Keine angegeben.

Primärquelle

Kyrou K et al. (2018): A CRISPR–Cas9 gene drive targeting doublesex causes complete population suppression in cagedAnopheles gambiae mosquitoes. Nature Biotechnology (Online-Vorabveröffentlichung). DOI: 10.1038/nbt.4245.

Literaturstellen, die von den Experten zitiert wurden

[1] KaramiNejadRanjbar M et al. (2018): Consequences of resistance evolution in a Cas9 based sex conversion-suppression gene drive for insect pest management. PNAS ; 115 (24): 6189–6194. DOI: 10.1073/pnas.1713825115.

[2] Champer J et al. (2018): Reducing resistance allele formation in CRISPR gene drive. PNAS; 115 (21): 5522–5527 (2018). DOI: 10.1073/pnas.1720354115.

[3] Esvelt KM: Sculpting Evolution – Daisy Drive Systems.

Literaturstellen, die vom SMC zitiert wurden

[I] Institute of Safety in Technology and Research: Safe working with arthropods Containment and control for work with uninfected, infected and transgenic animals in research.

[II] Forschungsprojekt „Target Malaria“

[III] Lambert B et al. (2018): The use of driving endonuclease genes to suppress mosquito vectors of malaria in temporally variable environments. Malar J.;17 (1): 154. DOI: 10.1186/s12936-018-2259-8.

[IV] National Academies of Sciences, Engineering, Medicine: Gene Drives on the Horizon. Advancing Science, Navigating Uncertainty, and Aligning Research with Public Values.

Weitere Recherchequellen

Noble C et al. (2018): Current CRISPR gene drive systems are likely to be highly invasive in wild populations. eLife 2018;7:e33423 doi: 10.7554/eLife.33423.

Science Media Center Germany (2016): CRISPR-Cas9 als revolutionäre Methode des Genome Editing. Fact Sheet. Stand: 26.04.2016.