Перспективы использования трансгенных насекомых в программах биоконтроля

Перспективы использования трансгенных насекомых в программах биоконтроля

Александр Марков

По статье: A. П. Ткачук, М. В. Ким, В. Ю. Савицкий, М. Ю. Савицкий

Генетически модифицированные насекомые победят вредителей и спасут человечество от болезней

 



Средиземноморская фруктовая муха (Ceratitis capitata) – опасный сельскохозяйственный вредитель, с которым во многих районах мира успешно борются при помощи биоконтроля. Фото с сайта http://en.wikipedia.org

 

  

В борьбе с насекомыми-вредителями и переносчиками заболеваний человечество долго полагалось на инсектициды, но эта стратегия себя исчерпала. По-видимому, будущее за новыми, гораздо менее опасными и вредными для окружающей среды технологиями биоконтроля, такими как метод стерилизации насекомых (SIT). Ключевую роль в развитии SIT и других методов биоконтроля будет играть создание генетически модифицированных насекомых. В частности, для борьбы с малярией планируется использовать трансгенных малярийных комаров, не способных переносить заболевание, которыми будут замещать природные популяции переносчиков.

Насекомые – вредители и переносчики заболеваний приносят человечеству колоссальный ущерб. Например, от малярии, переносимой комарами рода Anopheles, ежегодно умирает 2 миллиона человек. В течение XX века основным средством борьбы с вредными насекомыми были разнообразные инсектициды. Со временем, однако, накапливались данные о многочисленных негативных последствиях использования инсектицидов и об их недостаточной эффективности. Несмотря на огромное количество ядов, выливаемых на поля, вредители все равно уничтожают 20-40% мирового урожая сельскохозяйственных культур ежегодно. Это заставляет ученых искать новые, более «экологичные» и надежные способы борьбы с вредителями.

Сегодня в развитых странах заметна тенденция к переходу от химических средств к так называемому биоконтролю – использованию живых организмов или продуктов их жизнедеятельности для ограничения численности популяций вредителей и переносчиков заболеваний. В обзорной статье генетиков из Института биологии гена и МГУ рассматривается текущее состояние и перспективы развития методов биоконтроля. Особое внимание уделяется многообещающим разработкам, связанным с использованием трансгенных насекомых.

Метод стерилизации насекомых (Sterile insect technique, SIT) уже не раз доказал свою действенность. Суть метода – в массовом разведении вредных насекомых, которых затем стерилизуют при помощи ионизирующего излучения и выпускают в природу. При этом необходимо, чтобы стерильных насекомых было намного больше, чем диких. Дикие насекомые скрещиваются со стерильными и не могут произвести потомство. В результате численность природной популяции вредителей сокращается. При систематическом применении метод SIT позволяет полностью уничтожить популяцию. Например, при помощи SIT была уничтожена на территории США, Центральной Америки и Северной Африки мясная муха Cochliomyia hominivorax (ее личинки развиваются в живых тканях сельскохозяйственных животных и даже человека). Этот же метод позволил справиться со средиземноморской плодовой мушкой Ceratitis capitata на территории Флориды, Калифорнии, Мексики и Гватемалы; с мухой цеце (Glossina palpalis) на острове Занзибар и др.

Важнейшим преимуществом SIT является его безопасность для окружающей среды. Однако у метода есть и ряд недостатков. Во-первых, чтобы стерилизовать насекомых, используют радиоактивные изотопы (кобальт-60); это дорого и довольно опасно. Во-вторых, если нет эффективного способа отделить самцов от самок, приходится выпускать в природу стерильные особи обоих полов, а это снижает (порой в несколько раз) эффективность метода. Показано, что лучше всего метод работает, если выпускать в природную популяцию только стерильных самцов. Наибольший экономический эффект достигается, если самок удалить из культуры на ранних этапах: тогда не нужно тратить средства на их кормление и содержание.

Методы генной инженерии позволяют справиться с этими проблемами и тем самым резко увеличить эффективность SIT.

Отделение самцов от самок. Чтобы облегчить отделение самцов от самок, выводятся генетически модифицированные (ГМ) линии насекомых с четким половым диморфизмом. Например, у средиземноморской плодовой мушки C. capitata удалось переместить ген, отвечающий за окраску куколок, из аутосомы в Y-хромосому. В результате мужские куколки стали коричневыми, женские – белыми. Еще успешнее оказалась методика, основанная на перемещении (транслокации) гена, отвечающего за устойчивость к перегреву. В результате удалось вывести линию C. capitata, в которой достаточно подвергнуть яйца температурной обработке, чтобы все женские особи погибли, а выжили только самцы. Этих самцов затем стерилизуют ионизирующим излучением и выпускают в природу. Но этот подход, к сожалению, видоспецифичен: вывести аналогичные линии других видов насекомых-вредителей сложно.

Более универсальным является недавно разработанный метод, основанный на введении в геном насекомого гена флуоресцентного белка, управляемого тканеспецифичным (т.е. срабатывающим только в определенной ткани) промотором (регуляторной последовательностью). Таким способом выводят линии насекомых с флуоресцирующими семенниками. Это позволяет отбирать самцов при помощи автоматического флуоресцентного сортера. Кроме того, в природе потом очень удобно подсчитывать процент самок, спарившихся с ГМ-самцами: у таких самок в семяприемниках находится флуоресцентная сперма.

Для создания трансгенных насекомых с индуцируемой летальностью (или стерильностью) разработаны конструкции на основе тетрациклинового оперона Tn10 кишечной палочки Escherichia coli. В состав таких конструкций входит ген белка, активность которого подавляется тетрациклином, причем в активном состоянии этот белок прямо или косвенно вызывает гибель или стерилизацию насекомого. Это позволяет, например, создать насекомых, которые нормально размножаются, пока их кормят тетрациклином, но становятся стерильными в природных условиях, где тетрациклина нет. Это дает возможность стерилизовать насекомых без ионизирующего излучения. При помощи таких конструкций можно создать и систему автоматического отбора самцов: например, если присоединить ген токсичного белка, инактивируемого тетрациклином, к промотору, который избирательно активируется только в организме самок. Тогда самки будут погибать, как только перестанут получать с пищей тетрациклин, а самцы останутся живы.

Проблема стабилизации трансгена. Чтобы внедрить в геном насекомого новый генетический материал, обычно используют векторные конструкции, созданные на основе транспозонов класса II. Эти мобильные генетические элементы длиной от 1 до 5 тысяч пар нуклеотидов с двух сторон ограничены так называемыми концевыми обращенными повторами (terminal inverted repeat, TIR), между которыми находится ген фермента транспозазы, необходимого для перемещения транспозона. Чтобы транспозон совершил «прыжок» (транспозицию), хозяйская клетка должна сначала прочитать (транскрибировать) ген транспозазы и синтезировать на его основе белок, то есть саму транспозазу. После этого транспозаза должна найти в хозяйской хромосоме свой транспозон, опознать его (для опознания используются TIR), затем вырезать и вставить в какое-нибудь другое место генома.

В искусственных векторных конструкциях между двумя TIR вместо гена транспозазы вставляют тот фрагмент ДНК, который хотят внедрить в геном модифицируемого насекомого. Затем раствор векторной конструкции впрыскивают в эмбрион насекомого вместе с «внешним» источником транспозазы – еще одним вектором, несущим ген транспозазы. Если повезет, транспозаза встроит основной вектор в геном некоторых клеток эмбриона, которые затем дадут начало половым клеткам насекомого. При этом второй вектор (источник транспозазы), опять-таки по случайности, туда встроен не будет. В результате получим ГМ-насекомых с встроенным «целевым» геном, окруженным с двух сторон TIR, но без источника подходящей (распознающей эти TIR) транспозазы. В отсутствие транспозазы встроенная конструкция не способна к перемещениям.

 





 

Рис. 3. Способы стабилизации трансгена в геноме. А – удаление одного TIR трансгена, Б – полная интеграция трансгена в геном удалением обоих TIR, В – сайт-специфическая интеграция с последующим удалением TIR. Светло- и темно-серые прямоугольники (М1, М2) – маркерные гены. Белые прямоугольники – стабилизируемая целевая последовательность. Длинные черные толстые стрелки – полноценные 5’ и 3’ TIR, короткие стрелки – уменьшенные 5’ и 3’ TIR (Б)

 

  

Однако при этом сохраняется вероятность, что ГМ-насекомые получат подходящую транспозазу откуда-то еще (например, в результате горизонтального обмена генами), и встроенная конструкция обретет подвижность – «ремобилизуется». С одной стороны, это вроде бы не так уж страшно, потому что разнообразных активных транспозонов в геномах насекомых (и других животных) и без того хватает. С другой стороны, мутагенез, вызванный перемещениями транспозонов, ведет к непредсказуемым последствиям (изменениям фенотипа), поэтому лучше все-таки искусственную конструкцию «стабилизировать», то есть сделать полностью неспособной к перемещениям даже при наличии подходящей транспозазы. Для этого разработан ряд методов, в основе которых лежит одна и та же идея (см. рисунок). В конструкцию вставляют дополнительные TIR таким образом, чтобы транспозаза вырезала часть встроенной в геном конструкции, после чего у оставшейся части остается только один TIR или ни одного. Такая конструкция уже не может ремобилизоваться ни при каких обстоятельствах.

Использование ГМ-насекомых в борьбе с переносчиками заболеваний. При помощи метода SIT в нескольких регионах удалось снизить численность популяций мухи цеце – переносчика сонной болезни. Однако SIT пока не позволяет победить такие опасные заболевания, как лихорадка денге и малярия. Эти болезни переносятся комарами, а самцы комаров, стерилизованные при помощи радиоактивного излучения, обладают пониженной жизнеспособностью и в конкуренции за самок проигрывают диким самцам.

По-видимому, генная инженерия способна справиться и с этой проблемой. Недавно компания Oxitec изготовила стерильных ГМ-самцов комара Aedes aegypti (одного из переносчиков лихорадки Денге), которые, судя по результатам первых испытаний, вполне успешно конкурируют за самок с дикими самцами. Авторы обзора приводят слова Люка Алфи, основателя компании Oxitec: «...при обеспечении финансирования целые регионы или группы стран смогут ликвидировать денге, используя ГМ технологию в сочетании с другими методиками».

Помимо SIT, для борьбы с переносчиками малярии, лихорадки денге и желтой лихорадки предложен метод замещения популяций. Идея состоит в том, чтобы создать ГМ-комаров, не способных переносить заболевание, и заместить природную популяцию переносчиков безвредными ГМ-насекомыми. Уже созданы генетически модифицированные малярийные комары, неспособные переносить малярию. У этих комаров клетки кишечника производят пептид SM1, который не позволяет малярийному плазмодию проникать из кишечника комара в слюнные железы. В отличие от большинства других изготовленных к настоящему времени ГМ-комаров, комары Anopheles stephensi, вырабатывающие пептид SM1, способны конкурировать с дикими комарами в природе. Существуют аналогичные разработки и по комарам – переносчикам лихорадки денге.

В целом очевидно, что дальнейшее развитие методов борьбы с насекомыми – вредителями и переносчиками опасных заболеваний, как и шансы человечества на победу в этой борьбе, неразрывно связаны с развитием биотехнологий, включая генную инженерию. По мнению авторов, «очевидно, что разумное применение генно-инженерных технологий для биологического контроля численности насекомых позволит эффективно бороться с ними, оказывая минимальное негативное воздействие на окружающую среду».