[논문 리뷰] RPM-Drive: A robust, safe, and reversible gene drive system that remains functional after 200+ generations

Floyd A. Reed, Todd G. Aquino-Michaels외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 06. 13.

CRISPR and Genetic Engineering참고 문헌 38인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 Drosophila melanogaster에서 합성 히브리드 불완전성 기반 유전자 드라이브 시스템인 RPM-Drive가 200대 이상의 세대를 거쳐도 기능 그대로 유지되고 유전적으로 안정됨을 입증한다. 이 시스템은 리보솜 단백질 유전자들의 허브리드 불완전성과 내장된 유전적 안전장치를 활용하며, 자연 선택이 손상 유전자를 효율적으로 제거함으로써, 안정적이고 반전 가능하며 지리적으로 제한된 생물학적 해충 관리 솔루션으로서의 잠재력을 지닌다.

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.

연구 동기 및 목표

• 200세대 이상의 장기적인 기능적 안정성을 평가하기 위해 합성 유전자 드라이브 시스템을 평가한다.
• 실험실 집단에서 돌연변이에 의한 붕괴에 대한 RPM-Drive의 회복력 평가.
• 유전자 드라이브 구조에 있는 손상 유전자를 제거하는 자연 선택의 역할 조사.
• 공학적으로 설계된 유전적 안전장치를 통해 반전 가능성과 지리적 제한성 테스트.
• 기계적 설계 기반으로 RPM-Drive의 종 간 이식 가능성과 적용 가능성 규명.

제안 방법

• RPM-Drive를 지닌 Drosophila melanogaster를 200세대 이상 유지하였으며, 각 병에 약 100명의 성체가 포함된 20개의 복제 병에서 시행.
• RPM-Drive 동형접합체와 대조군 '야생형' 라인 간 상호 교배를 실시하여 멘델 유전 법칙과 드라이브 효율성 평가.
• GAL4 전활성화 인자 손실을 시뮬레이션하기 위해 유전적 교잡을 실시하여 의도치 않은 방출 상황 모의.
• F1 및 F2 후손의 유전자형을 확인하기 위해 RFP 및 GFP 마커를 사용하여 유전자형 비율 확인.
• 리보솜 단백질(Rp) 복합체 수준(기능성 복합체 1, 2, 또는 3개)을 비교하여 유전자 복합체 불균형이 미치는 생존력 영향 평가.
• 후손 생존율과 마커 발현 분석을 통해 돌연변이 유전자형에 대한 선택 압력 추론 및 시스템 안정성 검증.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 RPM-Drive 시스템은 연속적인 배양를 200세대 이상 거친 후에도 기능하고 유전적 전이가 가능한가?
• RQ2 유전자 드라이브 구조 내 손상 돌연변이가 시간이 지남에 따라 자연 선택에 의해 얼마나 효과적으로 제거되는가?
• RQ3 리보솜 단백질 허브리드 불완전성 메커니즘이 시스템의 장기적 안정성에 기여하는 방식은 무엇인가?
• RQ4 유전자 드라이브 존재 하에서 리보솜 단백질 복합체 수(1, 2, 또는 3개 복합체)의 변화가 생존력에 미치는 비용은 얼마인가?
• RQ5 내장된 GAL4/Cy- 안전장치 시스템이 의도치 않은 교잡 발생 시 드라이브 기능을 효과적으로 비활성화하여 반전 가능성과 지리적 제한성을 확보할 수 있는가?

주요 결과

• 200세대 이상의 연속적 배양 후 F2 세대에서 멘델 유전자형 비율(1:2:1)이 유지되어 기능 유지와 상속 정확도가 확인되었다.
• GAL4 전활성화 인자 손실과 같은 유전자 구조 손상은 자연 선택에 의해 신속히 제거되었으며, GAL4/Cy- 안전장치로 인해 드라이브 활동이 한 세대 이내에 거의 0 수준으로 감소하였다.
• RpL14의 기능성 복합체가 한 개뿐인 개체(복합체 수 = 1)는 두 개 또는 세 개 복합체를 가진 개체에 비해 유의미하게 생존력이 떨어져, 허브리드 불완전성 메커니즘이 확인되었다.
• 시스템은 완전히 반전 가능했다: GAL4 시스템이 독립적 분리에 의해 손실되면 드라이브 효과가 신속히 비활성화되어 의도하지 않은 확산을 방지하였다.
• RPM-Drive의 장기적 안정성은 리보솜 단백질 기능이 암에 대한 세포 방어 기전과 연결되어 있어 진화적 제약을 유도함으로써 시스템의 강건성을 높인다.
• RPM-Drive를 지닌 Drosophila 생체는 Bloomington Drosophila Stock Center에 기증되어 독립적 검증과 광범위한 연구 활용이 가능해졌다.