CRISPR, дешевий і швидкий: революція в генної інженерії

1. Що таке CRISPR-Cas9?
2. Навіщо це потрібно?
3. Питання етики - і майбутнє

Переклад: Надія Волкова.

Суперечлива нова технологія зробила зміну генома простим і дешевим - можливо, занадто простим?

Права на зображення
належать Nicola Graf

Ви друкуєте пропозицію і розумієте, що опечатали в одній букві. Помилка змінить сенс всього пропозиції, тому ви наводите курсор на неправильну букву, натискаєте «Backspace» і друкуєте правильний символ. Це виключно легке завдання. Дивно, але тепер цей підхід відтворили і в лабораторіях, з вченими в ролі письменників і ДНК в якості повідомлення, яке потрібно виправити.

Це стало реальним завдяки CRISPR-Cas9 - нової технології, абсолютно підкорила наукове співтовариство за останні кілька років. Крім багатообіцяючих біомедичних досягнень, вона надала і нові непрості завдання. Справді, ця суперечлива методика породила стільки шуму в медіа просторі, що незабаром і шкільні вчителі біології почують від своїх учнів питання про CRISPR-Cas9. У цій статті ми пропонуємо короткий огляд того, що таке технологія CRISPR-Cas9 і чому вона така важлива.

Що таке CRISPR-Cas9?

CRISPR-Cas9 - це система, яка використовується бактеріями для захисту від нападу вірусів, але недавно її вдалося пристосувати для редагування генома в певних позиціях. Система складається з двох компонентів: CRISPR і Cas9. CRISPR - абревіатура, що позначає «короткі паліндромний повтори, регулярно розташовані групами» - це набір позицій в геномі, де знаходяться повторювані ділянки ДНК. Поруч з цими повторами розташовані гени Cas, що кодують важливі ферменти, один з яких - Cas9 - здатний розрізати нуклеїнові кислоти (ДНК або РНК).

Коли бактерію атакує вірус, він вводить в неї свої нуклеїнові кислоти, на що бактерія реагує шляхом синтезу ферментів Cas, щоб вирізати шматки вірусних нуклеїнових кислот і записати в свою ДНК в CRISPR позиціях (зображення 1). Таким чином бактерії набувають корисний імунітет: наступного разу, коли її атакує той же вид вірусу, ділянки CRISPR разом з вірусними нуклеїновими кислотами будуть скопійовані в короткі молекули РНК. Ці молекули прикріпити до ферментам Cas9 і направлять вийшов комплекс до ДНК або РНК нападника, прагнучи до комплементарної послідовності. Потім Cas9 розріже чужу ланцюжок нуклеїнових кислот, позбавляючи вірус можливості захопити бактерію для самовідтворення.

Права на зображення
належать Nicola Graf

Як же вдалося адаптувати бактеріальну систему для використання в генній інженерії? У 2012 році команди Дженніфер Дудни в університеті Каліфорнії в Берклі (США) і Еммануель Шарпентье в університеті Умео (Швеція) модифікували і склали разом короткі молекули РНК, щоб отримати єдину «направляючу» РНК (зображення 2). Вона повинна мати кінець, який може кріпитися до Cas9, але залишилася послідовність може бути підібрана в пару до будь-якій послідовності ДНК. Завдяки такому різноманіттю можливостей, CRISPR-Cas9 може вирізати конкретні задані ділянки ДНК. Незабаром після цього лабораторія Фена Чжана в Массачусетському технологічному інституті (США) пішла ще далі, показавши, що комплекси CRISPR-Cas9 здатні створювати точні розрізи ДНК в людських і мишачих клітинах ( Cong et al, 2013 ). Крім того, вони підправили Cas9, щоб він міг різати ДНК трохи по-іншому, стимулюючи певний механізм лагодження ДНК в клітині. Таким способом вченим вдалося успішно вставити нову послідовність нуклеотидів точно на місце розрізу, замінивши вихідну (зображення 2).

Завдяки цим інноваційним відкриттям, CRISPR-Cas9 система була перетворена з вузькоспеціалізованого розділу мікробіології в перспективний дослідницький інструмент, що дозволяє вченим легко і з високою точністю редагувати гени для різних цілей.

Навіщо це потрібно?

Для вивчення функції генів вчені часто намагаються вивести клітинні лінії або модельні організми, в яких досліджуваний ген містить мутацію або повністю активовано (прийом, відомий як нокаут гена). CRISPR-Cas9 надає швидкий і точний спосіб досягти цієї мети. До того ж, фермент Cas9 можна змінити так, щоб він більше не міг різати ДНК, але був здатний прикріплятися до певних послідовностей ДНК за допомогою направляючої ланцюжка РНК. Таким чином, РНК полімераза фізично не зможе прикріпитися до цієї ділянки, що дозволяє дослідникам контролювати транскрипцію певних генів - початкову точку активності гена.

Крім згаданих важливих застосувань в біомедичних дослідженнях, CRISPR-Cas9 також пропонує більш прямі додатки в медицині. Вчені вже пробували використовувати редагування генома за допомогою CRISPR-Cas9 для вирізання нуклеотиднихпослідовностей ВІЛ і запобігання реплікації цього вірусу в людських клітинних лініях. Його також застосовували для видалення мутованих послідовностей в мишах з м'язовою дистрофією Дюшенна, яка викликає м'язову слабкість, що дає надію на успішну терапію пацієнтам і сім'ям, які страждають цим та іншими схожими генетичними захворюваннями. Нещодавно були зроблені спроби радикального редагування генома свинячих ембріонів за допомогою CRISPR-Cas9 в надії створити спосіб безпечно отримувати органи для трансплантації людині.

А якщо вчені вже модифікують ембріони свиней, чи можна редагувати геном і в людських ембріонах? Саме це намагалися робити китайські вчені в 2015 році, використовуючи CRISPR-Cas9 для зміни гена бета-таласемії в 86 людських ембріонах ( Cyranoski & Reardon, 2015 ). Виявилося, що ця методика поки що досить неефективна, тому що змінити послідовність ДНК вдалося менш ніж в чверті ембріонів. Проте, новина про це відкриття викликала чимало розбіжностей стосовно етичності подібних досліджень.

Питання етики - і майбутнє

Етичні побоювання ставилися не тільки до експериментів на ембріонах, але і до вельми непростий перспективі генної інженерії людини. Завдяки CRISPR-Cas9, з'явилася теоретична можливість вносити генні зміни в статеві клітини (сперматозоїди і яйцеклітини), які будуть можуть бути передані майбутнім поколінням. Крім надихаючого потенціалу позбавити людство від генетичних хвороб, ця ідея піднімає і питання того, які саме зміни повинні бути дозволені в медичній практиці в майбутньому. Чи можна вважати такі риси людини, як інтелект або колір очей, придатними для медичного поліпшення? Подібні страхи можуть здаватися передчасними, однак є й інший привід для тривоги: генна інженерія людини може мати абсолютно непередбачувані і незворотні наслідки для майбутніх поколінь. Це міркування стає особливо актуальним в світлі останніх досліджень в області генетики, які показали, що взаємодії між генами і іншими механізмами успадкування набагато складніше, ніж вважалося раніше.

Згадані питання не вислизнули від уваги вчених. Деякі погоджуються, що інженерія людини - це мінне поле етичних проблем, і вважають, що будь-які дослідження з використанням CRISPR-Cas9 на людських ембріонах повинні бути заборонені. Інші, однак, впевнені, що повний мораторій на подібні вишукування буде не тільки складний на практиці, а й шкідливий для наукового прогресу. Незважаючи на таку різницю у поглядах, наукове співтовариство сходиться в тому, що краще рішення - це відкритий публічний діалог, що підтверджується численними нарадами і конференціями, присвяченими цій темі, по всьому світу.

Тим часом, CRISPR-Cas9 продовжує розвиватися. Фармацевтичні компанії інвестують в цей метод заради нових досліджень в області дизайну ліків, так що технічні недоліки знаходять і виправляють - в той час, як запеклий патентну суперечку між основоположниками технології (Дудна / Шарпентье проти Чжана) зживає себе. Проте яким би не був результат, запаморочливий зліт CRISPR-Cas9 - це тільки початок.