Робота над помилками | Журнал Популярна Механіка

1. Джин із баночки
2. сімейна бібліотека
3. Від йогурту до ембріона
4. Уміння все псувати
5. Діти завтрашнього дня
6. Виправлення до народження

В людині все має бути прекрасним: і одяг, і думки, і гени. А допоможе цьому запозичена у бактерій система CRISPR / Cas9.

У минулому році дослідники з Китаю вперше відредагували ДНК ембріона людини, недавно подібні досліди дозволили в Великобританії. І хоча про створення ГМ-дітей мови поки не йде - такі ембріони потенційним годують не імплантують, - вже ясно, що технологічний прогрес в генної модифікації людини не зупинити. Коли-небудь і це буде зроблено. Для редагування ДНК людських ембріонів вчені з Китаю використовували порівняно молодий метод CRISPR / Cas9, за який колись неодмінно дадуть Нобелівську премію. Як і більшість методів генної інженерії, він використовує «природні» механізми, що з'явилися в ході біологічної еволюції. Молекули CRISPR / Cas9 були запозичені у бактерій, а метод, який обіцяє змінити хід розвитку нашої цивілізації, був знайдений випадково, при удосконаленні технологій виробництва йогурту.

Ювелірна робота Точність CRISPR / Cas9 робить метод найперспективнішим в генній інженерії. 1. Сільське господарство. Технологія полегшить створення нових, високопродуктивних і безпечних сортів рослин і сільськогосподарських тварин. 2. Епідемії інфекцій. «Виправлені» гени можуть швидко поширюватися в популяції, обіцяючи порятунок від деяких хвороб, таких як малярія. 3. Генна терапія. Метод дозволить лікувати не тільки генетичні захворювання: вже показана його здатність повністю видаляти гени ВІЛ із заражених лімфоцитів. 4. Нові люди. Обережна модифікація статевих клітин і ембріонів дозволить отримувати нові покоління людей - більш здорові, ніж наше.

Джин із баночки

У 2007 році в журналі Science з'явилася публікація групи вчених з компанії Danisco (виробника йогуртів «Данон»), які вивчали здоров'я бактерій Streptococcus thermophilus, які використовуються в кисломолочної заквасці. Дослідники виявили, що здатність стрептококів протистояти вірусної інфекції визначається дивними фрагментами бактеріального генома зі складною назвою CRISPR.

Ці фрагменти були помічені ще в 2000 році, коли іспанські біологи звернули увагу на загадкове скупчення схожих один на одного, повторюванихпослідовностей нуклеотидів в ДНК деяких бактерій. Між ними, як в рамках, перебували короткі ділянки унікальною ДНК. Ці розташовані регулярними групами паліндромний повтори і називаються CRISPR, а вся генетична конструкція - CRISPR-касета. Незабаром виявилося, що головне вміст CRISPR-касет - унікальні послідовності ДНК - є фрагментами вірусних генів, які бактерії самостійно вбудовують в свій геном. З'явилася гіпотеза про те, що CRISPR-касета бере участь у противірусний імунітет бактерії. Уявіть собі комп'ютерний антивірус: у нього є база даних, в якій зберігаються фрагменти шкідливих програм і з якої він звіряється, скануючи файли. Уявіть собі поліцейського, який шукає злочинця, порівнюючи відбитки його пальців зі знімками в картотеці. Той же підхід працює і з CRISPR-касетами: це база даних вірусних генів. Вона відображає «еволюційну пам'ять» бактерій про тих віруси, з якими раніше зіштовхувалися їх предки. Використовуючи її, клітина здатна розпізнавати відомі їй віруси і запускати їх знищення.

Участь CRISPR в роботі бактеріального імунітету і підтвердили творці йогуртів, а в 2012 році біологи встановили, що «робочою конячкою» цього механізму виступає білок Cas9, фермент, який розпізнає ДНК вірусів і розрізає її, повністю виводячи з ладу. Для цього Cas9 використовує «шаблон», коротку направляючу молекулу РНК, яка зчитується з послідовностей, збережених в CRISPR-касеті.

сімейна бібліотека

Спейсери - варіюються фрагменти ДНК, укладені між повторюваними однаковими послідовностями CRISPR, - складають «імунологічну пам'ять» бактеріальної клітини. Нові фрагменти додаються зазвичай з одного кінця CRISPR-касети, і один з повторів дублюється, зберігаючи «рамки», між якими поміщаються спейсери. Але в іншому все відбувається досить хаотично: зустрівшись з новим, незнайомим вірусом, заражені бактерії намагаються гарячково різати будь-яку чужу ДНК і вставляти випадкові фрагменти в свій геном. Лише обраним щасливчикам пощастить, і у них CRISPR-касета поповниться за потрібне ділянкою вірусної ДНК. Однак він послужить основою для синтезу направляючої РНК і роботи Cas-білків, допоможе бактерії впоратися з атакою - і буде переданий у спадок. Такі «антивірусні бібліотеки» накопичуються в бактеріях поколіннями і можуть використовуватися для ідентифікації штамів і визначення вогнища інфекції в епідеміології.

Від йогурту до ембріона

Розгромна замовна стаття незабаром програмна стаття «РНК-програмований редагування генома клітин людини» відкрила нову епоху в генній інженерії. Виявилося, що білку Cas9 легко підсунути нову, заздалегідь спроектовану направляючу РНК, націливши його на розрізання практично будь-якої заданої послідовності ДНК. А вже якщо ми зуміли робити точний розріз в строго визначеному місці геному, то залишається лише вставити в нього потрібний ген.

Нічого зайвого для цього не знадобиться: вбудовування зробить сама клітина. Для неї поява розривів в ДНК - серйозна небезпека, тому за її цілісністю стежить ціла група спеціальних білків, швидко усувають всі пошкодження. Можна підібрати умови так, щоб клітина не просто «заклеїла» дірку, а добудувала її деяким запропонованим їй геном. В результаті за останні роки технології CRISPR / Cas9 - а разом з ними і вся генна інженерія - переживає бурхливий підйом, який можна порівняти хіба що з першими роками космонавтики. Метод з успіхом використовується для редагування ДНК різноманітних організмів і продовжує швидко вдосконалюватися.

Китайські вчені, які взялися редагувати ДНК людських ембріонів і замінити в них пошкоджений ген бета-ланцюга глобіну, який призводить до розвитку ряду генетичних захворювань, відзначили, що точність системи ще недостатньо велика. З 86 зигот - ембріонів на ранніх стадіях розвитку - процедуру пережили 71, з них 54 виявилися придатні для дослідження, але тільки у 28 Cas9 чітко впорався із завданням, і лише у чотирьох пошкоджений ген благополучно замінився на здоровий. І якщо вже ми не можемо допустити, щоб народжувалися діти-інваліди з мутаціями, випадково внесеними технологією, то до початку застосування в медицині CRISPR / Cas9 доведеться серйозно доопрацювати.

На щастя, з моменту, коли китайські вчені почали своє дослідження з генної інженерії ембріонів, наука зробила крок вперед, і точність редагування ДНК з використанням CRISPR / Cas9 виросла на порядки. Вже в 2016 році в журналі Nature з'явилося повідомлення про розробку нового варіанту Cas9, вдосконаленого білка SpCas9-HF1, який уже зовсім не робить помилок або робить їх так мало, що виявити їх сучасними методами аналізу ДНК важко. Справді, ідеальної точності редагування домогтися навряд чи можливо - та й не потрібно. Досить дістатися до рівня, при якому метод буде створювати не більше випадкових мутацій, ніж при звичайному клітинному розподілі.

Уміння все псувати

Напрямна РНК системи CRISPR / Cas9 розпізнає ділянку ДНК довжиною приблизно 20 нуклеотидів. Зрозуміло, що у людини з геномом в три мільярди нуклеотидів знайдеться чимало таких або дуже схожих фрагментів, в яких будуть зроблені невірні розрізи. Намагаючись виключити такі ситуації, генетики вдаються до дивних хитрощів - наприклад, пропонується ... «зіпсувати» білок Cas9. Такі ферменти не здатні розрізати два ланцюжки ДНК, але тільки одну з двох, і пошкодження буде легко виправлено кліткою. Зате разом, орієнтуючись на різні напрямні РНК, два таких білка зможуть розрізати відразу обидві нитки подвійної спіралі - і підготувати місце для вставки потрібного гена.

Діти завтрашнього дня

Скоро ми навчимося редагувати ДНК з достатньою точністю, щоб зробити практичним розумне застосування генної інженерії в медицині. Так, до цих пір не існує засобів повного позбавлення людини від вірусу імунодефіциту (ВІЛ). Існуючі антиретровірусні засоби здатні лише утримувати його «під контролем», проте вірусна ДНК, вбудована прямо в хромосоми заражених лімфоцитів, залишається в них назавжди. І лише недавно була показана можливість, використовуючи CRISPR / Cas9, направлено і точно вирізати вбудовані ДНК-копії вірусу.

Самий безпосередній спосіб використовувати роботу CRISPR / Cas9-систем - отримання нокаутних ліній лабораторних тварин. Для цього навіть «редагувати» нічого не треба, достатньо внести в клітку нуклеазу Сas9 і вказати їй потрібне місце за допомогою направляючої РНК. Білки систем репарації можуть відновити двухнитевой розріз неспецифически, що призведе до появи нефункціональної, «нокаутував» форми гена. Якщо ж ми «згодуємо» цих білків відповідний фрагмент ДНК, вони вмонтують його на місце, що звільнилося, замінивши старий ген.

З розвитком знань про нашу генетику в майбутньому можна буде усувати навіть малі генетичні дефекти, задавати бажаний колір очей або волосся, покращувати фізичні і розумові здібності людини. А можна надати абсолютно новий вимір його імунітету. Справді, вже озвучені ідеї часткової «пересадки» системи бактеріального імунітету іншим організмам, в тому числі і людям. Уже в 2015 році журнал Genome Biology опублікував статтю, автори якої перенесли цей механізм в рослину, забезпечивши його захистом від деяких вірусів. Теоретично ми можемо навчити наші клітини знищувати спадкову інформацію будь-якого відомого вірусу - або створювати людей, від народження стійких до багатьох вірусних захворювань.

Ще одне важливе застосування технології CRISPR / Cas9 - генна терапія, що дозволяє лікувати спадкові захворювання у дорослих організмів. У лабораторних мишей вона вже дозволила вилікувати спадкову форму м'язової дистрофії. За допомогою генної терапії можна вилікувати і рак, підсаджуючи хворим модифіковані клітини імунної системи, здатні розпізнавати маркери деяких злоякісних пухлин. Вже є і перші пацієнти, які перемогли рак завдяки цій експериментальної процедури.

Виправлення до народження

У 2015 році американські генетики продемонстрували здатності системи CRISPR / Cas9 редагувати ДНК сперматозоїдів щурів. Якщо цю технологію вдасться перенести на людей, можна буде створювати генетично модифіковане потомство, не втручаючись в розвиток ембріонів і позбувшись від безлічі етичних проблем. Помилки генома, здатні привести до розвитку важких хвороб, можуть бути виправлені ще до зачаття. Розвиток генетичної інженерії виглядає живою ілюстрацією принципів «Автоеволюція», про яку писав Станіслав Лем. Автоеволюція - це коли жорстокий рушійний фактор еволюції, природний відбір, який скасовує непристосовані особини, поступово замінюється на «розумний задум», при якому організми поліпшуються самі. Без зайвих жертв, за життя. Ми живемо в світі стрімких змін - але найдивніше, що скоро так само швидко почнемо змінюватися і ми. Можна починати готуватися.

Автор - кандидат біологічних наук, старший науковий співробітник Інституту проблем передачі інформації РАН, автор книги «Сума біотехнології. Керівництво по боротьбі з міфами про генетичної модифікації рослин, тварин і людей »

Стаття «Homo sapiens: робота над помилками» опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №5, травень 2016 ).