Знаете ли вы, что клетки иммунной системы можно перенастроить таким образом, что они будут считать «вражескими» клетки опухоли, и таким образом можно бороться с раком? Такие эксперименты уже провели китайские и американские ученые, и есть первые положительные результаты.
Создана генная терапия против тяжелого наследственного заболевания кожи, при котором она становится очень хрупкой и легко повреждается (ее носителей называют «дети-бабочки»). Ну а бразильские ученые взялись за сахарный тростник и нокаутировали ген, ограничивающий накопление сахара, в результате чего содержание сахарозы в стеблях тростника увеличилось на 15%.
Из этих примеров понятно, какую революцию в биологии и медицине производит технология редактирования генома CRISPR/Cas. О ней сегодня слышали многие - тем более что за ее открытие ученые Дженнифер Дудна и Эммануэль Шарпантье в 2020 году получили Нобелевскую премию. Для ученых, владеющих этой технологией, живые организмы превращаются в сложнейшие конструкторы, в которых можно удалять лишние, добавлять недостающие, исправлять дефектные детали и излечивать ранее неизлечимые заболевания. Подробнее об этом будущие биоинженеры - студенты и аспиранты уфимских вузов - узнали на Фестивале ДНК, прошедшем в четырех институтах Уфимского федерального исследовательского центра РАН. О методиках CRISPR им рассказала Елена Михайлова - кандидат биологических наук, старший научный сотрудник Института биохимии и генетики УФИЦ РАН.
Болезнь = ошибка в коде
Генетическая информация в молекуле ДНК зашифрована при помощи четырех нуклеотидов (аденина, гуанина, цитозина и тимина), и каждые три из них кодируют одну аминокислоту - основу белка, а из белков строятся живые организмы. То есть изменение любого нуклеотида может привести к тому, что белок либо перестанет синтезироваться, либо не будет выполнять необходимые функции. Это и есть мутация. Одни мутации могут обуславливать какие-либо небольшие признаки - цвет шерсти у животных, окраску плодов растений, другие становятся причинами заболеваний.
Метод редактирования генома CRISPR/Cas называют также «молекулярными ножницами», поскольку он позволяет вносить изменения прицельно, в заранее определенное место. На данный момент он хорошо справляется с такими мутациями, которые представляют собой небольшие изменения в составе нуклеотидов: появлением одной или нескольких лишних «букв», их выпадением или заменой. Уже обнаружены болезни, которые таким образом достаточно просто вылечить – например, синдром Хантера, или мукополисахаридоз II типа: он может быть вызван выпадением всего лишь пяти нуклеотидов в гене, кодирующем жизненно важный фермент. Снижение выработки фермента приводит к тому, что мукополисахариды не расщепляются, как им положено, а накапливаются в клетках. Из-за этого возникают серьезные дефекты соединительной, костной, хрящевой тканей, и обычно с этим заболеванием не доживают до взрослого возраста. Ученым удалось «починить» дефектный ген, восстановив пять выпавших «букв». Уровень «лишних» веществ в организмах пациентов снизился, их состояние улучшилось. Правда, уровень фермента, который снижен из-за наличия мутации, не изменился, и объяснить это ученые пока не могут.
Также активно разрабатывается лечение от бета-талассемии. Эта болезнь вызывается заменой двух нуклеотидов в гене гемоглобина, что приводит к нарушению функций этого важнейшего белка. У людей с тяжелой формой заболевания наблюдаются анемия, нарушение обмена железа, остеопороз. Так называемая большая бета-талассемия требует пожизненных регулярных переливаний крови. В 2023 году в Великобритании, в 2024 -м в США разрешено применение генной терапии по методике CRISPR/Cas для лечения серповидноклеточной анемии и бета-талассемии. При помощи изобретенного препарата стволовые клетки пациента редактируются в пробирке и возвращаются обратно. Он уже показал свою эффективность: 75% пациентов достигли независимости от переливаний крови на период от 21 до 56 месяцев.
CRISPR против ВИЧ
Редактирование генома может помочь и в борьбе с инфекционными заболеваниями. Одним из популярных объектов для редактирования являются гены, которые обеспечивают устойчивость к ВИЧ. Например, есть ген CCR5, кодирующий белок, благодаря которому вирус ВИЧ прикрепляется к Т-лимфоцитам. Делеция (выпадение нуклеотида) в этом гене приводит к тому, что белок синтезируется неправильно, и вирус не прикрепляется. Данная мутация распространена в Европе, и ученые связывают ее с ранее бушевавшими в этом регионе эпидемиями чумы. При этом, хотя люди с этой мутацией могут избежать инфицирования ВИЧ и чумой, риск заражения другим заболеванием - лихорадкой Западного Нила - существенно возрастает. В 2018 году китайский биолог Хэ Цзянкуй, подделав документы для этической комиссии, отредактировал этот ген у двух эмбрионов, которые затем были имплантированы пациентке, и заявил, что создал первых в мире людей, невосприимчивых к ВИЧ. Он получил за это три года тюрьмы. В апреле 2022 года Хэ Цзянкуй освободился и вернулся к своей работе. Двойняшки Лулу и Нана, родившиеся с отредактированным геномом, чувствуют себя нормально.
Также при помощи CRISPR/Cas можно увеличивать производительность сельскохозяйственных растений и животных, повышать их устойчивость к болезням и улучшать свойства получаемой продукции. Например, ученые из Национального института прогрессивных технических наук и технологий Японии удалили ген, который приводит к появлению в яичном белке аллергена под названием овомукоид (а он составляет 11% белка), и сделали яйца гипоаллергенными.
Как разрезают ДНК
Откуда вообще появилась эта технология и как она работает? Можно сказать, что CRISPR/Cas - это иммунная система бактерий и архей. В ДНК бактерии есть короткие регулярно повторяющиеся группы нуклеотидов (это и есть CRISPR). Когда в ее клетку проникает чужеродный организм (например, бактериофаг), она борется с ним и затем сохраняет участок его ДНК среди этих последовательностей нуклеотидов, поступая примерно как индеец, привешивающий к поясу скальпы убитых врагов. В результате бактерия накапливает целый блок уникальных последовательностей из ДНК поверженных врагов, между которыми располагаются повторяющиеся последовательности нуклеотидов. В случае опасности бактерия запускает их транскрипцию - синтез РНК на матрице ДНК. Получается множество молекул РНК, и каждая заключает в себе уникальную и повторяющуюся последовательности. С помощью таких молекул, называемых гидовыми РНК, бактерии уже очень просто «вычислить» агрессора: уникальная часть молекулы узнает его и прикрепляется к его ДНК, а повторяющаяся часть сворачивается в особую вторичную структуру, которую распознает белок Cas. Этот белок разрезает обе цепи ДНК врага, из-за чего тот погибает. Этот механизм и назван «молекулярными ножницами», поскольку разрез осуществляется в строго определенном месте.
Когда мы используем эту методику для редактирования генома, нам нужно не просто разрезать ДНК, но и сделать так, чтобы на месте разреза получались нужные нам мутации. Для этого используется или модифицированный белок Cas, который вместо двуцепочечного разрыва производит замену одного нуклеотида на другой, или донорная молекула, содержащая желаемую последовательность нуклеотидов. На сегодняшний день разработаны разнообразные способы редактирования генома, и сейчас в руках генетиков имеется целый набор тонких инструментов для исправления ошибок в коде жизни.
Перспективы в России
В настоящий момент в нашей стране действует закон о запрете на создание и использование генно-модифицированных организмов. Исключения допускаются только для проведения экспертиз и научно-исследовательских работ. Правда, ввозить ГМО и употреблять их в пищу не запрещено. Однако особый статус геномного редактирования начинают признавать во всем мире. Уже есть страны, где без дополнительных проверок разрешено использовать растения и животных, полученных в результате геномного редактирования - но с одним условием: если мутации, которые внесены в их геномы, могли бы возникнуть и природным путем.
В прошлом году проректор по научной работе Медицинского университета имени Пирогова Денис Ребриков и его научная группа получили патент на способ редактирования гена GJB2 в клетках человека, культивируемых in vitro. Этот ген кодирует белок, который необходим для установления контактов между нейронами во внутреннем ухе. В его отсутствие человек теряет способность обрабатывать звуковые сигналы. В России такая мутация есть у каждого тридцатого, но редактирование гена актуально для эмбриона родителей, которые оба страдают глухотой и хотят родить слышащего ребенка. Также в России есть две научные группы, которые разрабатывают генную терапию ВИЧ.
Продвинулись отечественные ученые и в деле редактирования геномов растений. Например, в новосибирском Институте цитологии и генетики Сибирского отделения РАН успешно отредактировали геном ячменя, получив растение с заданными свойствами - без плотного прилегания оболочки к зерну, которое значительно удорожало переработку.
Данное направление успешно развивается и в Уфе, в нашем Институте биохимии и генетики. Например, идет работа над получением капусты, томатов и пшеницы, устойчивых к стрессам (особенно к засухе) и болезням, а также растений с повышенным содержанием полезных веществ. Одним словом, одна из самых многообещающих технологий в мире активно изучается и используется отечественными учеными, и одной из профессий будущего, безусловно, станет профессия генного инженера.
Проект «Фестиваль ДНК» реализован при поддержке Фонда президентских грантов.
Екатерина КЛИМОВИЧ.
Источник текста: сайт Уфавед, газета "Уфимские ведомости"
