Upravený CRISPR se může stát řidičem evoluce

TLDR verze: Vědci vyvinuli variantu CRISPRu, která je schopná přepisovat alely v heterozygotních potomcích z nepreferovaných na preferované. Mohlo by to umožnit usměrnění evoluce – ať už směrem k vylepšení plodin, nebo zpomalení závodu se škůdci (studie tu). 

Co je motor evoluce?

Oh, né, další článek o CRISPRu!„, úpí právě nejspíš mnozí čtenáři. Jenže CRISPRu ani vynalézavosti vědátorů zatím nedochází dech. A tak přichází s další důmyslnou variantou, která nemá potenciál žádný nižší než si pohrát s evolucí ve velkém stylu.

Aby byla evoluce vůbec možná, musí platit tři základní podmínky. Za prvé, v přírodě musí být nějaká variabilita. Jeden je pruhovaný, druhý je puntíkovaný, třetí károvaný. Za druhé, tato variabilita musí být dědičná. Tedy pruhovaný tatínek má aspoň nějakou šanci, že se mu narodí pruhovaný synek. A za třetí, tohle celé musí mít nějaký vliv na to, jak se bude organismu dařit. Tedy pruhovanému se třeba bude dařit líp než puntíkovanému, pokud žije v pruhovaném prostředí, kde má šanci se líp skrýt.

Nová forma CRISPRu, se kterou přišel tým University of California pod vedením vědátorky Annabel Guichard, tenhle koncept rozbourává. Pruhovaný tatínek potká puntíkovanou maminku, ale nemá sebemenší šanci, že by se mu mohl narodit pruhovaný synek – protože maminka je nositelkou tzv. driver alely, která tatínkovu alelu za každé situace přebije a vymaže. Všechny děti proto budou puntíkované, ať už je to pro ně výhodné nebo ne. Evoluce se může jít klouzat. Puntíky rulez.

Driver alely se vyskytují i běžně v přírodě, a o jejich využití například pro kontrolu komárů Aedes aegypti sníme už třetí dekádu. Nicméně až doteď bylo jejich využití obtížné, neboť přirozené driver alely zpravidla vyžadují značný prostor v genomu, který není lehké překopírovat a/nebo udržet tak, jak má být. Plus i v tomto případě si příroda umí poradit, a zvlášť hamižné alely zkrotit.

Člověk vs. evoluce: co z toho je přirozené, pokud i my jsme produkt evoluce? #hmm

CopyCat se představuje

Čím je tedy nová metoda jiná? Především je jednoduchá. Spočívá v tom, že do genomu vložíte takzvanou „kazetu“. Kazeta kóduje naváděcí RNA pro CRISPR (více o fungování CRISPRu zde nebo video CRISPRu v akci zde). Naváděcí RNA říká „Tady střihnout!“. A Cas9, věrný enzym, střihne. Což se buňce samože nelíbí, protože rozstřižená DNA je zpravidla značný problém pro její další spokojenou existenci.

DNA se proto snaží opravit – a protože si není jistá, jak ten kousek vypadal před střihnutím, vezme si na pomoc druhé, stejně vypadající místo na druhé variantě chromozomu (od druhého rodiče). Jenže na tom místě už je nastražená past v podobě „preferované“ alely. V našem případě puntíkované – a buňka tak místo v DNA opraví tak, že tam, kde předtím byla alela pro proužky, je najednou alela pro puntíky. Ftip je v tom, že puntíkovaná alela je k dalším střihům Cas9 imunní, a tak se nerušeně uhnízdí i na novém chromozomu.

Naváděcí RNA však není jenom jedna. Druhá naváděcí RNA zavelí k sestřihnutí v jiném místě genomu, a tentokrát se překopíruje kazeta, která to má všechno na svědomí. Také proto ji vědátoři příznačně pojmenovali „CopyCat“. Potomek je tedy spolehlivě vybaven jak puntíky, tak dvěma chromozomy schopnými puntíky přebít jakékoliv proužky, se kterými by se mohly sejít ve vajíčku dalšího juniora.

Tím ovšem celá ta sranda zdaleka nekončí, ale naopak začíná! Vědátoři vyvinuli dvě varianty tohoto mechanismu. Jedna je zasednutá na jeden typ nepreferované alely (puntíky vs. proužky), zatímco druhá je schopná cílit na jakoukoliv nežádoucí alelu (puntíky vs. celý svět). V prvním případě totiž naváděcí RNA cílí přímo na místo, kde se tyto dvě alely liší, zatímco druhá varianta o kousek vedle – a spoléhá na to, že buňka bude při opravování zvlášť nejistá a vezme si pro jistotu za mustr celý gen. Efektivitu mají tyto varianty přibližně stejnou – kolem 80 %.

Takhle funguje CRISPR přímo pod mikroskopem!

Darwin na zadních

Dalším vtipem celé metody je takzvaný letální mozaicismus. Ono totiž, co kdyby náhodou naše preferovaná alela zmutovala a místo puntíků by se z ní stal tiket na smrt? I v tomto případě si mechanismus poradí. Když se preferovaná, ale letální alela („smrtelné puntíky“) potká s proužky, tak se embryo vůbec nenarodí – protože díky CopyCat mechanismu bude mít smrtelné puntíky na obou chromozomech. Nehrozí tak nebezpečí šíření letálních alel dále než za jedince, kde vznikly.

Ani tím však esa v rukávu metodě nedocházejí. Zpravidla totiž nehrozí, že by se CopyCat překopírovala, ale alela už ne (nebo naopak). Chromozomy je preferují hezky pokupě. Jediné, co by mohlo driver alelu shodit z kozlíku je ztráta genu pro enzym Cas9, na kterém je životně závislá, ale který se nicméně s kazetou dál nepředává.

Ale ani tady to nevzdává! Předává-li se driver alela po mateřské linii, přetrvává aktivita Cas9 mamky, byť s nižší aktivitou, i do jejích potomků bez genu pro Cas9 – jelikož samotný enzym Cas9 se drží a funguje ve vajíčcích.

Ježišmarjá, no a co s tím teď budeme dělat?! Zrušená evoluce! Darwin na lopatkách! A-P-O-K-A-L-Y-P-S-A driver mutantů!

CRISPRtář pro dům a zahradu

Naštěstí mají vědátoři pro svůj nástroj i mírumilovná využití. Lehčí život by díky nim mohl mít nejeden zahrádkář. Znáte to, koupíte semínka, zasadíte, a vyroste vám katalogová dýně/jabloň/kytka. Jenže jakmile posbíráte semínka těchto krasavic, ZRADA! Vyrostou z nich jenom chcípáčci.

To kvůli tomu, že ideální kombinace alel v semínkách z Hornbachu se v první generaci porůznu promíchají, a nedej Mendel, aby se do toho nepřikřížil ještě nějaký wild type zmetek. Driver alelami by bylo možné výhodné kombinace alel uzamknout, takže semínka by si udržela svoje vlastnosti i do dalších generací. A nejen udržet, ale i poskládat jako lego tak, jak si srdce Šlechtitelů (*mrk* na kolegy z Olomouce) žádá – například geny pro úrodnost a odolnost suchu. Prostě – „Evoluce půjde TUDY!!“

Kontrastním využitím k prvnímu zmíněnému by mohlo být krocení škůdců. Prášíte si tak na pole pesticidy, a mrchy merlíky furt rostou. Pesticidy na ně totiž působí jako selekční tlak. A tak se vyvinou varianty pesticidům odolné. Co do nich vložit driver alelu, která by jejich nově nabyté, vytuněné alely odolnosti přepsala zpět do mrzkých wild type alel? Ale jistě, stačí říct: „Evoluce TUDY tedy nepůjde!“

Vzdor naznačeným scénářům má metoda zatím do aplikace daleko. Bude se muset z Drosophil adaptovat na rostliny, případně další organismy. Také se bude muset důkladněji otestovat, jak je mechanismus failu vzdorný, a jak ho případně anulovat. Vyřešit bude zjevně třeba i etické otázky. Zatím má tedy (tradiční) evoluce stále pré. Podobně jako v případě čínských modifikovaných dětí je ale otázkou, na jak dlouho.

[TL]

TL pro vás pokecala i ve videu níže o tom, jak působí vesmír na člověka: 

Vědátor vzniká v dílně spolku studentů a popularizátorů vědy UP Crowd za podpory MUDRstart, která připravuje přípravné testy pro studenty vysokých škol – podpořte i vy drobákem mojí snahu informovat o vědě věčně & vtipně a přispějte mi v kampani na Patreonu.

A sledujte mojí snahu případně i na Facebooku či YouTube!

Diskuze