От мельчайшего одноклеточного организма до крупнейших существ на Земле, каждое живое существо определяется его генами. ДНК, содержащаяся в наших клетках, служит для них своего рода руководством. Четыре строительных блока, называемых основаниями, соединяются друг с другом в определённой последовательности, которая указывает клетке как себя вести и определяет наши черты. Но благодаря последним достижениям в области редактирования генов, ученые в силах изменить фундаментальные особенности организма в довольно короткие сроки. Возможно создавать засухоустойчивые культуры или яблоки, которые не темнеют. Даже возможно предотвратить распространение инфекционных вспышек и разработать методы лечения наследственных болезней. CRISPR является новым направлением науки, а также самым быстрым, простым и дешёвым инструментом редактирования генов. Но как появилось это чудо медицины? Как оно работает? И на что способно?
Удивительно, но CRISPR – это естественный процесс, который всегда функционировал как бактериальная иммунная система. Естественный CRISPR, первоначально обнаруженный как защитник одноклеточных бактерий и архей от вирусов, использует два основных компонента. Первый – несколько коротких последовательностей ДНК, называемых «короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами», или просто CRISPR. Второй – Cas или белки, «ассоциированные с CRISPR», которые разрезают ДНК, как молекулярные ножницы. Когда вирус вторгается в бактерию, белки Cas отрезают сегмент вирусной ДНК, чтобы сшить его в область CRISPR, сделав химический снимок инфекции. Эти вирусные коды затем копируются в короткие фрагменты РНК. Эта молекула выполняет множество функций в наших клетках, но в случае с CRISPR, РНК связывается со специальным белком Cas9. Получившиеся комплексы действуют как разведчики, захватывая свободно плавающий генетический материал и ища совпадение с вирусом. Если вирус вторгается снова, комплекс немедленно определяет его, и Cas9 быстро уничтожает вирусную ДНК.
Такой защитный механизм есть у большинства бактерий. Но в 2012 году учёные выяснили, как захватить CRISPR, чтобы нацелить его не только на вирусную ДНК, но и на любую ДНК практически в любом организме. Применяя её правильно, эта вирусная иммунная система становится точным инструментом редактирования генов, способная изменять ДНК и определённые гены так же легко, как исправить опечатку. Вот как это работает в лаборатории: учёные меняют определённую РНК соответственно тому гену, который они хотят отредактировать, и прикрепляют её к Cas9. Подобно вирусной РНК в иммунной системе CRISPR, изменённая РНК направляет Cas9 к целевому гену, а молекулярные ножницы отсекают РНК. Это и есть ключ к силе CRISPR: просто путём внедрения Cas9, связанной с коротким фрагментом пользовательской РНК, учёные могут редактировать практически любой ген в геноме. Как только ДНК будет разрезана, клетка попытается её восстановить. Обычно, специальные белки, нуклеазы, связываются с обрезанными концами ДНК и соединяют их обратно. Но этот процесс, называемый негомологичным соединением концов, подвержен ошибкам и может привести к лишним или отсутствующим основам. Полученный ген часто непригоден и выключен. Однако, если учёные добавляют отдельную последовательность шаблонной ДНК в свой коктейль CRISPR, клеточные белки могут выполнять другой восстановительный процесс, называемый гомогологичной репарацией. Этот шаблон ДНК используется в качестве схемы для руководства процессом восстановления дефектного гена или даже вставки совершенно нового. Способность CRISPR исправлять ошибки ДНК означает, что она потенциально может создавать новые методы лечения заболеваний, связанных с конкретными генетическими ошибками, такими как муковисцидоз или серповидноклеточная анемия. И поскольку всё не ограничивается людьми, возможности практически бесконечны. CRISPR может создавать растения, дающие большие плоды, комаров, не передающих малярию, или даже перепрограммировать раковые клетки, устойчивые к лекарствам. Это также мощный инструмент для изучения генома, позволяющий учёным наблюдать, что происходит в организме, когда гены выключены или изменены.
CRISPR ещё не идеален. Он не всегда ведёт к предполагаемым изменениям, и поскольку трудно предсказывать долгосрочные последствия редактирования генов, эта технология вызывает большие этические вопросы. Нам стоит хорошо подумать, ведь кроме одноклеточных организмов, CRISPR может пригодиться в лабораториях, фермах и больницах по всему миру.
Перевод: Lord32x Studio