Вы, возможно, слышали о разнообразных исследованиях и международных скандалах, в которых фигурирует метод генетического редактирования CRISPR/Cas9. Учёные всего мира до сих пор под глубоким впечатлением от этой революционной технологии: она проще, дешевле и эффективнее, чем предыдущие стратегии модификации ДНК.
Термин CRISPR/Cas9 расшифровывается как кластеризованные регулярно распределённые короткие палиндромные повторы (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats), ассоциированные с белком Cas9. В названии отражены важные особенности метода, но судить по названию о том, как он работает, сложно. Поэтому мы решили рассказать об этом подробнее.
Что делает CRISPR/Cas9?
CRISPR/Cas9 — это система, обнаруженная в бактериях и участвующая в их иммунном ответе на вирусы. Бактерии используют CRISPR/Cas9, чтобы разрезать ДНК вторгшихся бактериальных вирусов, которые, если бы не было этой системы, могли бы их убить.
Учёные адаптировали этот молекулярный механизм для применения в совершенно других целях — для изменения любой выбранной аминокислотной последовательности в ДНК живых существ. Например, этот способ можно применить, чтобы исправить вызвавшую генетическое заболевание ошибку. Или усовершенствовать генетические особенности сельскохозяйственных культур или домашнего скота.
Получается, можно просто вырезать один фрагмент ДНК и вставить другой? Не совсем. Во-первых, нужно понимать, что живые существа состоят из миллионов клеток, и каждая содержит одну и ту же ДНК. То есть, смысла в редактировании ДНК одной клетки нет никакого. Операцию «вырезать, вставить» нужно проделать миллионы раз, чтобы достичь нужных изменений. Причём, не ко всем клеткам так уж легко получить доступ: например, к клеткам, скрытым в наших костях или глубоко внутри мозга доступ затруднён.
Поэтому генетическое вмешательство эффективнее проводить в тот момент, когда живое существо находится на стадии эмбриона.
Может показаться, всё, что нам нужно для генетического вмешательства, - это огромный микроскоп и крошечные ножницы. Именно это и используют генетические инженеры, причём фермент Cas9 — это и есть наши молекулярные «ножницы». Две R в названии CRISPR обозначают Regularly Repeats, регулярные повторения. Здесь имеются в виду повторяющиеся последовательности ДНК, которые сообщают молекулярным ножницам, какую часть ДНК нужно вырезать.
Найти, вырезать, затем вставить
Чтобы направить Cas9-ножницы, нужно присоединить их к чему-то, что приведёт их к соответствующему сегменту ДНК. Стоит помнить, что ДНК состоит из двух взаимно дополняющих цепочек, и когда мы программируем Cas9, мы даём ему информацию о фрагменте только из них.
В геноме порядка 3 миллиардов пар оснований, поэтому поиск нужного фрагмента будет похож Google-поиск. Как только ножницы Cas9 разрежут ДНК, клетка попытается восстановить разрыв, используя любую доступную ДНК, которую сможет найти. Поэтому важно доставить к месту разрыва ту генетическую последовательность, которую мы хотим вставить.
Теоретически, CRISPR/Cas9 вместе с проводником и нужным отрезком ДНК можно ввести при помощи микроскопа и крошечной иглы. Ещё можно с помощью электрического тока пробить отверстия в клетках и позволить «ножницам» и отрезкам ДНК просто заплывать внутрь; можно ввести их в капсулах в виде жировых пузырьков, которые сливались бы с клеточной мембраной и высвобождали их содержимое вовнутрь...
Но как именно новый ген должен найти подходящее место для встраивания? Представьте, что вам нужно вставить последний кусочек пазла из трёх миллиардов кусочков. Это как если бы у вас был гранат из миллиона зёрнышек, и в нём недоставало бы одного. Вам нужно было бы, добавив его, сложить целый огромный гранат. Но место, куда вставить недостающее зерно, чтобы выполнить задачу, вам неизвестно. Поэтому нужно изготовить кусочек мозаики такой формы, которая идеально подходит под вставку в нужное место, и добавить его в гранат. Тогда вам нужно просто кропотливо запихивать это зёрнышко в каждую щель и искать, где оно встанет идеально.
Для этого вовсе не нужно рассматривать ДНК под микроскопом. Методом тыка, осуществляемого в результате броуновского движения, кусочек головоломки обязательно встанет туда, где он и должен находиться. При этом, сначала «тыкаться» будут ножницы Cas9, а затем новый кусок ДНК автоматически встанет на освобождённое место, и с помощью естественных механизмов восстановления кусочек ДНК будет намертво вшит в цепочку.
Но это ещё не всё: не более пяти лет назад были созданы более прогрессивные системы редактирования CRISPR, которые даже не требуют разрезания цепочки ДНК. В этом случае система CRIPSR/Cas и направляющая могут доставлять одну аминокислоту к определенному гену и изменять только определённые основания, например А на Г или Ц на Т.
Что мы модифицируем с помощью CRISPR/Cas9?
В большинстве экспериментов по подобному генному редактированию используются либо эмбрионы мышей, либо клетки, выращенные в чашках Петри в искусственной жидкости, подобной крови. Некоторые работают с растительными клетками, так как целые растения можно вырастить из нескольких клеток. Иногда также модифицируют стволовые клетки пациентов, которые затем можно вводить им обратно в организм для восстановления повреждённых органов и тканей и утерянных функций. Но лишь несколько лабораторий по всему миру действительно работают с человеческими эмбрионами на ранней стадии развития. Эта область исследований и медицины строго регулируется, а работы в её рамках тщательно отслеживаются на предмет возможных нарушений.
Наука не стоит на месте, и список применений CRISPR/Cas9 будет расширяться. Мы уже можем делать многое. Но так как в организме всё взаимосвязано, всегда нужно учитывать возможные неожиданные побочные эффекты. Не последними в таких делах должны быть и этические соображения. А они, в свою очередь, зависят от того, чего мы как общество хотим добиться при помощи этой технологии.
Материал подготовила Александра «Renoire» Алексеева, XX2 век