[論文レビュー] RPM-Drive: A robust, safe, and reversible gene drive system that remains functional after 200+ generations

Floyd A. Reed, Todd G. Aquino-Michaels+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 13, 2018

CRISPR and Genetic Engineering参考文献 38被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、ドーパミン・メラノガステルの合成アンダードミナント型遺伝子ドライブ系であるRPM-Driveが、200代を超える期間にわたり完全に機能し、遺伝的に安定していることを示した。このシステムはリボソームタンパク質遺伝子のハプロイネシエンシーと組み込まれた遺伝的フェイルセーフを活用しており、自然選択が破壊的突然変異を効率的に除去するため、耐性があり、逆転可能で、地理的に限定された遺伝的害虫管理ソリューションとして有効である。

ABSTRACT

Despite the advent of several novel, synthetic gene drive mechanisms and their potential to one-day control a number of devastating diseases, among other applications, practical use of these systems remains contentious and risky. In particular, there is little in the way of empirical evidence of the long-term robustness of these synthetic systems against mutational breakdown. Rather, most existing systems are either known or predicted to be susceptible to rapid inactivation, though methodological designs continue to be refined. Here we evaluate a currently existing synthetic, underdominance-based gene drive system 200+ generations after it was first established in a laboratory colony of Drosophila melanogaster. Not only do we find that the system is still functioning as designed, we also show evidence that disruptions to the genetic construct are highly likely to be removed by natural selection, contributing to the system's robust, long-term stability. This stability appears to be a result of a fundamental relationship between ribosomal proteins (a novel target of the system) and natural cellular defenses that protect against cancer development. As far as we are aware, this is the longest continually functioning synthetic gene drive system thus verified, making it highly appropriate for additional research into its eventual suitability for field trials. Due to inherent properties of this gene drive, it is also likely to be adaptable for use in many different species. The insect lines established and used to test this system have been deposited at a Drosophila stock center, and are available to labs for further, independent testing.

研究の動機と目的

• 200代を超える継続的伝播後の合成遺伝子ドライブ系の長期的機能的安定性を評価すること。
• 実験室集団における突然変異による分解に対するRPM-Driveのレジリエンスを評価すること。
• 遺伝子ドライブ構成要素内の破壊的突然変異が自然選択によってどのように除去されるかを調査すること。
• エンジニアリングされた遺伝的フェイルセーフを用いて、逆転可能性と地理的限定性をテストすること。
• そのメカニズム的設計に基づき、RPM-Driveの種間への移植可能性と適用可能性を特定すること。

提案手法

• RPM-Driveを有するドーパミン・メラノガステルの株を、1つのフラスコあたり約100匹の成虫を含む20の独立した試験管で200代以上にわたり維持した。
• RPM-Driveホモ接合体と対照群「ワイルドタイプ」系統との間で相互交配を行い、メンデルの遺伝法則とドライブ効率を評価した。
• GAL4トランスアクチベーターの喪失を模擬する遺伝的交配を実施し、誤って放出された場合のシナリオを再現した。
• F1およびF2後代のゲノタイピングにRFPおよびGFPマーカーを用い、ゲノタイプ比の確認を行った。
• リボソームタンパク質（Rp）の用量（機能的コピー数が1、2、または3）を比較し、遺伝子用量の不均衡が与える適合度への影響を評価した。
• 生存率およびマーカー発現の分析を通じて、変異ゲノタイプに対する選択圧を推定し、システムの安定性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 RPM-Driveシステムは、200代を超える継続的伝播の後も、機能的かつ遺伝的に安定しているか？
• RQ2 遺伝子ドライブ構成要素内の破壊的突然変異が、時間の経過とともに自然選択によってどの程度迅速に除去されるか？
• RQ3 リボソームタンパク質のハプロイネシエンシー機構は、システムの長期的安定性にどのように寄与しているか？
• RQ4 遺伝子ドライブの存在下で、リボソームタンパク質用量の変動（1、2、または3コピー）がもたらす適合度コストは何か？
• RQ5 組み込まれたGAL4/Cy-フェイルセーフシステムは、誤って交雑された場合にドライブを効果的に無効化でき、逆転可能で地理的に限定されたものとなるか？

主な発見

• 200代を超える継続的伝播後も、F2世代におけるRPM-Driveはメンデルのゲノタイプ比（1:2:1）を維持しており、機能的安定性と遺伝的正確性が保たれていることが示された。
• GAL4トランスアクチベーターの喪失を含む遺伝子構成要素への破壊的影響は、自然選択によって急速に除去された。GAL4/Cy-フェイルセーフは、1世代未満でドライブ活性をほぼゼロにまで低下させた。
• RpL14の機能的コピーが1つ（用量=1）の個体は、2つまたは3つのコピーを持つ個体と比較して顕著に適合度が低く、ハプロイネシエンシー機構の妥当性が裏付けられた。
• システムは完全に逆転可能であった。GAL4システムが独立した組換えによって消失した場合、ドライブ効果は急速に無効化され、意図しない拡散が防止された。
• RPM-Driveの長期的安定性は、リボソームタンパク質機能ががんに対する細胞防御と関連しているという進化的制約に起因しており、システムの耐性を高めている。
• RPM-Driveを有するドーパミン・メラノガステルの株は、ブロムリングトン・ドーパミン・ストック・センターに寄託されており、独立した検証と広範な研究利用が可能である。