• Читателям
  • Авторам
  • Партнерам
  • Студентам
  • Библиотекам
  • Рекламодателям
  • Контакты
  • Язык: English version
2782
Какой интересной, полезной и прекрасной может быть наука, или Как «режут» и «редактируют» ДНК
Биология
Нативный (природный) комплекс CRISPR-Cas9 с криспр-РНК, трейсер-РНК в процессе разрезания мишени-протоспейсера. Иллюстрация от Visual Science и Сколтеха

Какой интересной, полезной и прекрасной может быть наука, или Как «режут» и «редактируют» ДНК

Говорят, что лучше один раз увидеть, чем сто раз прочитать. А современные технологии позволяют увидеть то, что недоступно человеческому глазу! Яркий пример – совместный проект компании Visual Science и Сколковского института науки и технологий (Москва) по визуализации работы молекулярного механизма CRISPR-Cas9 – самой популярной техники редактирования генома, о которой в эпоху биотехнологии должен знать каждый

Редактирование генома – это технология генной инженерии, основанная на использовании особых «молекулярных ножниц», с помощью которых можно разрезать ДНК. При «ремонте» участка разрыва можно удалить или заменить ненужные гены или вставить в геном новый фрагмент. Существует несколько способов редактирования наследственной информации у высших организмов, но самым простым, точным и доступным с 2013 г. является технология CRISPR/Cas9. Единственным ее недостатком можно считать трудно запоминаемое название, но в данном случае, говоря словами Шарикова из «Собачьего сердца», это «наследственная фамилия».

Ученые «позаимствовали» систему CRISPR/Cas у бактерий, у которых она используется для борьбы с бактериальными вирусами – бактериофагами. CRISPR – это участок бактериального генома со встроенными генами опасных вирусов, своего рода аналог картотеки «их разыскивает полиция». Если эти вирусы проникнут в бактериальную клетку, они будут опознаны по генному «портрету», хранящемуся в CRISPR, и тогда «белок-ножницы» Cas разрежет чужеродную ДНК или РНК и уничтожит захватчиков.

Система CRISPR-Cas, используемая для редактирования генома, включает в себя гидовую РНК (гРНК) и белок Cas9. С помощью белка Cas9 гРНК присоединяется к протоспейсеру – участку вирусной ДНК, соответствующему спейсеру гРНК (либо, в случае искусственной системы, участку целевого гена эукариотической клетки). После узнавания белок Cas9 разрезает цепь ДНК в одном строго определенном месте. Репарация ДНК в месте разреза может происходить по пути негомологичного соединения концов, в результате чего с большой частотой возникают мутации (а). Если же в клетку доставить искусственно синтезированную донорcкую молекулу, которая соответствует участку разрыва, то таким образом можно произвести либо замену участка гена (б), либо направленную встройку трансгена (в). Таким образом, с помощью системы CRISPR-Cas можно исправлять генетические нарушения или вносить желаемые изменения. Подробнее о работе системы CRISPR-Cas читайте в «НАУКЕ из первых рук» в статье: Северинов В.К. и др. «Вирусы и бактерии – великое противостояние»

Всего лишь через несколько лет после открытия механизма действия бактериальных систем CRISPR-Cas была создана работающая технология редактирования геномов. В этой технике используется искусственно синтезированный комплекс белка Cas9 и молекулы CRISPR-РНК, в которой имеется фрагмент, способный «узнавать» и комплементарно связываться лишь со строго определенным участком ДНК.

Сегодня комплекс CRISPR-Cas9 можно запрограммировать на узнавание практически любых участков в редактируемом геноме человека, животных и растений. Благодаря дополнительным модификациям с его помощью можно не только сделать разрыв в ДНК и вставить в него новый ген, но и повлиять на «упаковку» окружающей ДНК, изменить активность соседних генов или просто пометить нужный участок для микроскопии. Все это открывает огромные возможности для использования CRISPR-Cas не только в фундаментальных исследованиях, но и для лечения генетических и инфекционных заболеваний, а также создания организмов с заданными свойствами. Кстати сказать, у бактерий существует множество разновидностей CRISPR-комплексов, которые могут быть полезны генным инженерам в будущем.

Сама идея генетического редактирования достаточно проста, но вот представить себе, как в реальности работают молекулярные механизмы CRISPR-Cas в живых клетках, довольно затруднительно. Проблему решили сотрудники компании Visual Science и Сколтеха, которым удалось создать 3D-анимацию этого динамического процесса. В трехминутном ролике с использованием достоверных моделей бактериальной клетки, ядра клетки человека и реальных молекулярных структур показана работа природных и генно-инженерных CRISPR-комплексов.


3D-анимация о системе редактирования генома CRISPR, созданная Visual Science при поддержке Сколтеха. Основана на реальных молекулярных структурах и демонстрирует работу природных и генно-инженерных CRISPR-комплексов. В визуализации используются точные модели внутренностей бактериальной клетки и ядра клетки человека. Анимация от Visual Science и Сколтеха

Компания Visual Science занимается визуализацией, коммуникациями и образованием в сфере науки, фармацевтики, медицины и других высокотехнологичных областях. С 2007 г. она реализовала сотни проектов по всему миру, от США до Австралии. Среди ее клиентов – нобелевские лауреаты, крупнейшие фармацевтические компании, вузы (Кембриджский университет, Гонконгский университет науки и технологий, МГУ и т.д.), ведущие издательства научной литературы, научно-исследовательские организации

О точности анимации, созданной российскими специалистами, говорит отзыв американского биолога Дженнифер Дудна, одного из авторов открытия методов CRISPR-Cas: «С помощью потрясающих визуальных образов и внимания к деталям Visual Science и Сколтех смогли передать динамику работы белков системы CRISPR-Cas, а также продемонстрировали возможность применения этих белков как исследовательских инструментов». С профессором Дудна согласен профессор Франциско Мохика из испанского Университета Аликанте: «Этот фильм об удивительных системах CRISPR охватывает все их основные аспекты, начиная с первичной роли и механизма действия CRISPR в естественных носителях и заканчивая потрясающими, разнообразными способами применения технологии... Эта великолепная визуализация, выполненная с большой точностью, – хороший пример того, какой интересной, полезной и прекрасной может быть наука».

Молекулярный комплекс инактивированного Cas9, слитого с зеленым флуоресцентным белком. Такой комплекс работает в качестве флуоресцентной метки заданного участка генома и позволяет при помощи микроскопа увидеть, где в ядре находится искомая последовательность ДНК. Иллюстрация от Visual Science и Сколтеха

Подготовила Лариса Овчинникова

Понравилось? Поделись с друзьями!

Подпишись на еженедельную e-mail рассылку!

comments powered by HyperComments