• Читателям
  • Авторам
  • Партнерам
  • Студентам
  • Библиотекам
  • Рекламодателям
  • Контакты
  • Язык: English version
706
Нобелевская неделя: «отредактировать» ДНК – легко!
Биология
Визуализация работы природного комплекса CRISPR-Cas, разрезающего генную мишень. Иллюстрация от Visual Science и Сколтеха

Нобелевская неделя: «отредактировать» ДНК – легко!

Лауреатами Нобелевской премии по химии в 2020 г. стали две прекрасные женщины – французский микробиолог Эммануэль Шарпантье, работающая в Германии, и ее коллега, американский биохимик Дженнифер Дудне. Исследовательницы предложили использовать для запрограммированного редактирования генов различных организмов молекулярную систему бактериального «иммунитета», что стало основой ошеломляющего прорыва в области генной инженерии. О значимости и актуальности этой работы говорит тот факт, что Шарпантье и Дудне регулярно выдвигались на Нобелевскую премию на протяжении последних лет. Технология CRISPR/Cas была открыта в 2012 г., и уже через восемь лет – небывало краткий срок – открытие стало «нобелевским»

Редактирование генома – это технология генной инженерии, основанная на использовании особых «молекулярных ножниц», с помощью которых можно разрезать ДНК. При «ремонте» участка разрыва можно просто удалить либо заменить ненужные гены или вставить в геном новый фрагмент. Существует несколько способов редактирования наследственной информации у высших организмов, но самым простым, точным и доступным на сегодня является технология CRISPR/Cas9. Единственным ее недостатком можно считать трудно запоминаемое название, но в данном случае, говоря словами персонажа из «Собачьего сердца» Булгакова, 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 (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. По: (Северинов и др., 2016)

Всего лишь через несколько лет после открытия механизма действия систем бактериального «иммунитета» была создана технология редактирования геномов, успешно работающая непосредственно в живой клетке. В этой технике используется искусственно синтезированный комплекс из белка Cas9 и молекулы 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 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.

Так, большие надежды на CRISPR/Cas возлагаются в связи с развитием генотерапии неизлечимых наследственных заболеваний. Ведь ученым долго не удавалось разработать безопасные методы введения в клетки генов, замещающих дефектные, однако CRISPR/Cas позволяет делать это с хирургической точностью. Более того, с его помощью можно редактировать собственный генетический аппарат клеток, как это было сделано в стволовых клетках пациента, страдающего муковисцидозом.

Метод CRISPR/Cas в комбинации с клеточными технологиями открыл принципиальную возможность радикального избавления людей от генетических заболеваний, таких как сахарный диабетболезнь Хантингтона, мышечные дистрофии и др. Генетическое вмешательство может быть осуществлено на уровне эмбрионов, из которых можно вырастить организм, все клетки которого будут иметь модифицированный геном.

В биотехнологии метод CRISPR/Cas используют для создания генетически модифицированных сельскохозяйственных культур животных и растений с новыми ценными свойствами, в частности, с устойчивостью к возбудителям, наносящим большой экономический ущерб сельскому хозяйству. А некоторые модифицированные линии животных или растений можно использовать как «биореакторы» для синтеза белков человека, таких как инсулин или альбумин.

О методе редактирования генома, который был создан всего лишь восемь лет назад и который благодаря своей простоте и доступности успел так быстро войти в нашу жизнь, можно сказать еще очень многое. Стоит добавить, что у бактерий существует множество разновидностей CRISPR-комплексов, которые могут быть полезны генным инженерам в будущем.

Понравилось? Поделись с друзьями!

Подпишись на еженедельную e-mail рассылку!