Майк Хейс, микробиолог
В генах записан план для всех живых существ. Центральная догма биологии гласит, что поток информации в клетках идет от ДНК к РНК и к белку. Последовательность нуклеотидов, составляющих ДНК, определяет, какой белок будет создан. Белок, в свою очередь, выполняет специальную функцию в клетке и, соответственно, в целом организме. Жизнь на нашей планете зависит от надежности информации, хранящейся в ДНК.
Манипулирование генами необходимо молекулярному биологу в попытках узнать больше о том, как работает жизнь. Клонирование генов, мутация генов, перенос генов — основа набора инструментов молекулярного биолога, используемого для изучения генов и манипуляции ими.
Новые молекулярные инструменты
В молекулярной технологии произошел огромный прогресс со времен открытия ДНК, как молекулы наследования, в 1943 году и анализа ее структуры в 1953, но манипуляция генов для изучения все еще скучный, времяемкий и дорогой процесс. Но существует новый инструмент, революционизировавший молекулярную биологию, как ничто другое со времен полимеразной цепной реакции (ПЦР) в конце 80-х. Новый молекулярный инструмент называется короткие полиндромные повторы, регулярно расположенные группами. Сокращенно CRISPR.
Началом пути славы для CRISPR стало открытие в 1987 году повторяющихся элементов, разделённых неповторяющимися последовательностями (спейсерами) ДНК в бактерии. В 2002 году было открыто, что эти уникальные повторяющие кластеры были связаны с общим набором последовательностей, кодирующих протеин, необходимый для модификации ДНК. Это семейство белков было названо CRISPR-ассоциируемыми-системами, или Cas.
Три года спустя было обнаружено, что последовательности CRISPR ДНК соответствуют последовательностям геномов бактериофагов (вирусы, поражающие бактериальные клетки) и ДНК плазмид (маленькие молекулы ДНК, которыми обмениваются бактерии). Несколькими годами позже, структурные и функциональные части CRISPR последовательностей, а также ассоциированных Cas-белков стали понятны и роль CRISPR-Cas был определена, как адаптивная иммунная система.
ДНК поиск и уничтожение
Чужеродная ДНК из бактериофага или из плазмида попадает в бактерию, раскладывается там и уникальные части ДНК запоминаются, как часть CRISPR последовательностей в геноме бактерии. Когда такая же или похожая чужеродная ДНК угрожает бактерии во второй раз, она отвечает комплексом CRISPR-Cas «поиск и уничтожение». CRISPR последовательность связывается с определенной соответствующей последовательностью в геноме захватчика, протеин Cas разрезает двуспиральную ДНК захватчика, и оставляет чуждую ДНК бесполезной, чтобы быть уничтоженной прежде, чем будет нанесен какой-либо вред клетке хозяина.
После идентификации и систематизации функции адаптивной иммунной системы бактерии, в 2012 году несколько групп разработали систему CRISPR-Cas9 в качестве инструмента генной инженерии. Эндонуклеазный комплекс генного редактирования CRISPR-Cas9 содержит три базовых компонента. Полинуклеатид, содержащий определенную гидовую РНК (гРНК), tracРНК, служащую «мостом» между гРНК и Cas9, и белок Cas9, привязанный к tracРНК.
Просто и эффективно.
Ученые открыли, что, разрабатывая и меняя последовательности гРНК, можно воздействовать на определенные гены или последовательности в любом геноме, создавая мишень для нашей системы «найти и уничтожить». Сцена была установлена. Теперь у нас есть мощный инструмент для редактирования генов.
Генное редактирование в исследовании
Например, ученый, изучающий ген Х теперь может запрограммировать систему с гидовой последовательностью, специфичной для гена Х, синтезировать специфичный для гена Х CRISPR-Cas9, и ввести его в клетку, где комплекс найдет соответствующую зона в гене Х и свяжется. Белок Cas9 разрежет ДНК в определенной точке генома.
Когда клетки попытаются восстановить разрыв, вставку или удаление (делеции), произойдут ошибки в транскрипции и трансляции гена Х. Получившийся протеин гена Х будет нефункционален и его отсутствие можно изучать.
Влияние CRISPR-подобного генного редактирования
Я не знаю, существовала ли молекулярная технология, повлиявшая на клиническую/прикладную часть медицинской науки так же быстро, как генное редактирование CRISPR. Последняя великая молекулярная революция, ПЦР, все изменила в исследовании и развитии сферы, но понадобилось десятилетие, прежде чем она стала применятся в клинической сфере. Даже тогда ПЦР в основном использовалась как диагностический инструмент.
С CRISPR все иначе. Открытый в 2012, он впервые использовался в опытах на животных в том же году. По научным меркам — это в мгновение ока. В несколько коротких лет, технология распространилась на кажется любую вообразимую молекулярную функцию. Плюс она простая и дешевая, что всегда многообещающий (но уникальный) фактор в развитии новых технологий.
В недавней статье Huffington Post «Десять главных технических трендов, меняющих человечество» Питер Диамандис, один из основателей компании «Человеческое долголетие» включил раздел под названием «Начало конца рак и болезни». В этом разделе он перечисляет десять технологических прорывов 2016 года, направленных на борьбу с болезнями и раком. Четыре из десяти включают основанные на CRISPR технологии генного редактирования. От успешного лечения агрессивной формы рака легких, одобрения Национальным институтом здоровья проекта по модификации иммунных клеток 18 разных пациентов с раком, разрезания ВИЧ генов из живых животных, до лечения серповидно-клеточной болезни с помощью редактирования вызывающих ее последовательностей ДНК у мыши. Все это, используя системы CRISPR-Cas9.
Это впечатляющий результат для технологии трех лет отроду. Настолько впечатляющий, что технологией заинтересовалась индустрия развлечений. В октябре 2016 года NBC объявили, что наняли Дженифер Лопес для создания и съемок в научно-фантастическом сериале с рабочим названием C.R.I.S.P.R. Сериал расскажет об использовании генного редактирования и футуристичном биотерроризме.
Инструменты и терминология генного редактирования
Сфера использования CRISPR/Cas9 и схожих комплексов быстро растет. Основываясь на простом комплексе «найти и уничтожить», ученые могут модифицировать, менять и мутировать различные функциональные элементы в системе. К началу 2017 года, когда не прошло еще и пяти лет после публикации первого доклада по генному редактированию CRISPR-Cas9, вот какие функциональные инструменты уже доступны в молекулярной биологии.
- Нокаут генов
Как в примере с геном Х, использование системы для исключения гена.
- Добавление генов
Вырезать и заменить гены или добавить метку (вроде флюоресцирующей метки), чтобы белок-мишень можно было отследить.
- Редактирование генов
Внедрить определенную пользователем последовательность изменений в ген, вроде точечной мутации.
- Подавление генов
Уменьшение экспрессии гена без модификации последовательности генома, используя гРНК, направленное на промоторные области гена, и мутировавший, функционально деактивированный Cas9 (dCas9), привязанный к репрессорному белку. По сути, вы делаете выключатель для гена.
- Активация
Так же, как ген можно репрессировать, можно и увеличить экспрессию гена, не модифицируя последовательность гена. Для этого используется гРНК, направленное на промоторные области нужного гена. В этом случае, функционально деактивированный dCas9 будет связан с активирующим белком. Т.е. вы делаете включатель.
- Индуцируемый CRISPR
Один из самых крутых аспектов технологии — ее способность использовать чувствительные к свету или химической реакции активирующие белки, которые связаны с комплексом CRISPR, в качестве переключателя. Если нужна активность CRISPR в определенное время, возможно глушение или активация гена, нужно просто щелкнуть переключателем!
- Генный драйв
В генетике, генный драйв, это генетический элемент, который вызывает наследование определенного гена, чтобы увеличить его распространение в популяции. Генный драйв «проталкивает» признак в популяцию, размножающуюся сексуально, используя систему CRISPR. Вот короткий список потенциального применения генного драйва:
а) Иммунизировать животных, переносящих человеческие болезни.
б) Контроль болезней, переносимых насекомыми. (прим. пер. вовсю работают уже, дело началось с малярийных комаров, а закончилось большим скандалом )
в) Пестициды и гербициды влияющие только на определённых виды.
г) Уменьшение популяции крыс и других вредителей.
д) Помощь видам под угрозой исчезновения.
Редактирование генов в научной фантастике
«Все возможно с CRISPR. Я не шучу» — Хьюго Беллен, генетик.
Игры с последовательностями ДНК, игры с белком, игры с организмом. Так что в этом генном редактировании для научной фантастики?
Потенциал.
Да, потенциал. С генным редактированием и научной фантастикой, как сказала др. Беллен: «Все возможно…» Что может быть лучше для автора научной фантастики, чем логичная, мощная и невероятная технология из настоящей науки, могущая отрыть двери истории и позволить манипулировать любым живым существом?
Если хотите начать, вот ссылка на отличное короткое видео об основах ДНК.
Еще у них есть хорошая страница с руководством по созданию белков из ДНК кода, с со всякими крутыми штуковинам об эффектах мутаций.
Темная сторона CRISPR-Cas
Как с большинством вещей, генное редактирование CRISPR не идеально. У него есть темная сторона. Побочные эффекты. Эти побочные эффекты происходят, когда комплекс «найти и уничтожить» CRISPR-Cas9 связывается с геномом, с которым не должен был. Хотя в этой области есть подвижки по минимизации побочных эффектов, они все еще сдерживают продвижение этой мощной технологии.
Но проклятие ученых может быть благословением для научно-фантастического писателя. Там, где побочные эффекты могут разрушить эксперимент, они же могут создать великолепный поворот в нф-романе. Как насчет формирования разумной породы лабораторных крыс, создающих альянс по защите их рабочих прав? Или порода отредактированных бобов, которые защищают от фузариоза, но через поколение переключаются на быстрый и неконтролируемый рост?
В темной стороне науки лежит огромный потенциал.
В следующий раз, когда вы будете думать о научной фантастике и решить добавить в нее генетику, вспомните о генном редактировании. И никогда, никогда не стесняйтесь добавлять немного науки в вашу фантастику.