Gene Drive

Gemäß den Mendelschen Regeln werden Gene von den Eltern zu den Nachkommen mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit (Spaltungsregeln) vererbt. Eine Methode, die gezielt das Vorhandensein oder den Verlust eines oder mehrerer Gene in einer Population beeinflusst, wird als „Gene Drive“ bezeichnet, wenn diese die klassischen Vererbungsregeln ausschaltet. Die induzierten Veränderungen werden bereits bei den Eltern homozygot hinterlegt, so dass das entsprechende Merkmal gleichmäßig an alle Nachkommen weitergegeben wird. Die sonst übliche Aufspaltung nach den Mendelschen Vererbungsregeln findet nicht statt.

Eine Möglichkeit für „Gene Drive“ Ansätze bietet das CRISPR/Cas-System. Mithilfe der Nuklease Cas9 kann man Gene gezielt verändern, an- oder auch abschalten. In polyploiden Lebewesen führt Cas9 und eine homologe DNA dazu, dass eine entsprechend programmierte genetische Veränderung auf alle homologen Chromosomen an exakt der gleichen Stelle erfolgt. Dadurch ist das entsprechende Merkmal bereits in der ersten Experimental-Population reinerbig. Somit erhalten alle Nachkommen dieses Individuums diese Veränderung. Dadurch wäre es möglich in kurzen Zeiträumen die gesamte Population mit dem neuen Merkmal zu durchdringen.

Auf der molekularen Ebene ist dies möglich, wenn man die genetische Informationen für die Herstellung von Cas9 und sgRNA in eine Wirtszelle einführt. Die sgRNA ist komplementär zur DNA-Sequenz des Gens, die man abschalten will. Daher schneidet Cas9 das Gen, und es wird inaktiv. Ein weiterer Schritt führt dazu, dass die genetische Informationen für Cas9 und sgRNA stabil im Erbgut integriert werden. Dies geschieht, wenn man die genetischen Informationen für Cas9 und sgRNA mit DNA-Sequenzen flankiert, die homolog zum Gen, das man ausschalten wird, sind. Die homologen DNA-Sequenzen dienen als Vorlage für den DNA-Reparaturmechanismus, um den DNA-Bruch zu reparieren („homology directed repair“).

Es entsteht somit eine Art Kettenreaktion, denn alle Kopien eines Gens werden ausgeschaltet. Dies führt dazu, dass ein heterozygotes Merkmal homozygot wird, was gemäß den Mendelschen Regeln nicht vorkommt. Eine genetische Mutation kann sich somit sehr rasch in einer Population verbreiten. Die Folgen eines „Gene Drive“ durch CRISPR/Cas sind nicht vorhersehbar und könnten zu langfristigen Änderungen in einem Ökosystem führen.