«Генетические ножницы»: стартовый набор

«Генетические ножницы» или технология CRISPR/Cas9 – это быстроразвивающаяся перспективная инновация, вызвавшая ажиотаж в научном сообществе. Но что скрывает под собой громоздкая аббревиатура? Какая история стоит за открытием данной технологии? Что принципиально нового предлагают «генетические ножницы» в терапии и генной инженерии? 

История открытия

В 1987 году была опубликована статья группы ученых из Осаки, в которой впервые упомянули о коротких повторяющихся участках и, разделяющих их, уникальных частях в ДНК кишечной палочки. От чего и появилось название Кластерные (Clustered) Регулярные (Regular) Пересекающиеся (Interspaced) Малые (Short) Палиндромные (Palindromic) Повторы (Repeats) или же CRISPR. Однако, только в 2007 году учёными под руководством Филиппа Хорвата было доказано, что закрепление уникальных частей (спейсеров) в регионах бактериального генома является элементом адаптивного иммунитета бактерий. [1]

Даудна и Шерпантье

Единственное было непонятно – каким образом, данный механизм реализуется? Над этим вопросом работали ученые Дженнифер Даудна и Эммануэль Шарпентье, которые в 2012 году опубликовали в журнале Science статью, где не только полностью раскрыли механизм работы стрептококковой системы CRISPR, но также и указали на перспективы использования ее для редактирования генов и других живых существ.

Механизм работы

Специальные белки-ножницы (эндонуклеазы Cas) разрезают ген, вторгнувшихся в бактериальную клетку вирусов, и далее встраивают некоторые из отрезанных элементов в CRISPR-кассету – регион гена, содержащий лидирующую последовательность, спейсеры и палиндромы (короткие повторяющиеся элементы). Так составляется галерея с «портретами» вторгавшихся ранее вирусов, что будет использовано бактерией в будущем, при повторном вторжении. [2]

Когда же происходит повторное нападение вируса на бактерию, то c кассеты, которая представляет собой участок ДНК, считывается построение незрелой crРНК. Далее при помощи молекулы РНКазы III crРНК нарезается на меньшие кусочки, содержащие спейсеры и его окружающие палиндромы – так crРНК созревает. После созревания crРНК соединяется с активирующей эндонуклеазу РНК (tracrРНК) и самой эндонуклеазой. Весь блок связанных молекул представляет собой рабочую иммунную единицу, которая ищет тот самый вирус, часть которого содержится в crРНК. При обнаружении данного вируса блок молекул «слипается» c вирусом, а эндонуклеаза нарезает его на спейсеры. Новые спейсеры можно использовать снова, вставив в CRISPR-кассету, что увеличит шансы на противостояние данному вирусу. [2]

Однако, как возможно использовать адаптивный процесс бактерий в генной инженерии?

Даудна и Шарпантье использовали синтетический аналог tracrРНК–гидовую РНК (sgРНК), что позволило добиться разрезания ДНК эндонуклеазой в том месте, которое необходимо ученым. Использовав в качестве молекулы-курьера плазмиду, получилось доставить гены, кодирующие CRISPR-кассету со спейсерами исправляемых генов, и эндонуклеазу – в клетку, отличную от бактериальной. Это позволило изменять или удалять целевой фрагмент ДНК.

Перспективы использования

Систему CRISPR/Cas помимо использования в дальнейших генетических исследованиях и биотехнологических линиях производства тестируют для использования в терапии. Конечно, сейчас технология используется на культурах клеток и модельных животных, но уже сегодня можно отметить успехи в лечении таких наследственных заболеваний как серповидноклеточная анемия, бета-талассемия, миодистрофия Дюшена, муковисцидоз, тирозинемия, катаракта, а также пигментный ретинит. [2]

Вывод

Из вышеизложенного становится ясно, что технология имеет огромный потенциал реализации – как в медицине, так и в иных сферах человеческой деятельности. Генная инженерия никогда не была такой быстрой и относительно простой. С открытием CRISPR медицина, несомненно, совершит не один прорыв. Однако, не стоит забывать и о этической стороне вопроса. Из-за своей простоты система может быть использована (при наличии минимума оборудования) на собственной кухне, что несомненно пробудило в некоторых желание провести над собой эксперимент для того, чтобы увидеть, как на них отразится генная модификация. Потому CRISPR/Cas, как и любая другая революционная технология в свое время, становится предметом усиленных споров. Впрочем, это не мешает данной технологии использоваться в мирном, полезном русле.

Литература:

1. Умный редактор генов. За что дали Нобелевскую премию по химии в 2020 году — путеводитель по методу CRISPR-Cas9
2. Просто о сложном: CRISPR/​Cas

Ярослав Вах

Меня зовут Вах Ярослав. Я студент 4 курса СибГМУ по специальности медицинская биохимия. Загоревшись в старшей школе генетикой и связанной с ними исследованиями, решил для себя, что образование биохимика даст мне возможность реализовать научные амбиции конкретно на поприще генетики и генной инженерии.