Введение
Современная биология и медицина переживают настоящую технологическую революцию благодаря разработке системы CRISPR/Cas9, которая уже сегодня изменила подход к изучению генома и редактированию генов. Эта технология открывает широкие возможности для лечения генетических заболеваний, улучшения сельскохозяйственных культур и даже для модификации микроорганизмов с целью решения экологических проблем. Начиная с 2013 года было опубликовано несколько десятков тысяч статей, посвященных данной технологии, а в 2020 году французский микробиолог Эммануэль Шарпентье (Emmanuelle Charpentier) и американская исследовательница Дженифер Дудна (Jennifer Doudna) получили Нобелевскую премию по химии за развитие нового подхода редактирования генома. Но что же такое CRISPR/Cas9, как она работает и какие у неё перспективы?
Подробнее о том, как устроена ДНК, что такое ген и геном вы можете прочитать в предыдущей статье.
Что такое CRISPR/Cas9?
CRISPR/Cas9 — это молекулярный инструмент, заимствованный у бактерий, где он выполняет роль системы защиты от вирусов. CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) представляет собой особые участки ДНК, которые содержат повторяющиеся последовательности ДНК. Между этими повторениями находятся уникальные фрагменты, которые бактерии получают от вирусов, заражавших их ранее. Таким образом, эти фрагменты служат чем-то вроде "иммунологической памяти" бактерии.
Cas9 — это белок, который функционирует как молекулярные "ножницы", разрезающие ДНК. Когда вирус атакует бактерию повторно, система CRISPR распознает вирусную ДНК по сохранившимся фрагментам и с помощью Cas9 разрезает её, предотвращая инфицирование клетки. Последовательность белка Cas9 закодирована в локусе CRISPR (см. схему выше).
Учёные адаптировали эту систему для редактирования геномов различных организмов, включая человека. Основная идея заключается в том, что белок Cas9 можно "запрограммировать" с помощью гидовой РНК (single guide RNA, sgRNA), которая связывается с необходимым участком генома. После этого Cas9 разрезает ДНК в указанном месте.
После разрыва ДНК клетка активирует один из двух основных механизмов восстановления: негомологичное соединение концов (non-homologous end joining, NHEJ) или гомологичное направленное восстановление (homology-directed repair, HDR). NHEJ — более вероятный процесс восстановления ДНК, при котором концы ДНК сшиваются напрямую, что часто вызывает небольшие мутации, приводящие к изменению или отключению гена.
В случае HDR клетка использует донорскую ДНК для точного восстановления разрыва, что позволяет целенаправленно встраивать новые генетические элементы или изменять уже существующие. Донорская ДНК вводится в клетку искусственно и может быть синтезирована в лаборатории с заданной последовательностью, соответствующей цели редактирования. Когда клетка активирует механизм HDR после разрыва ДНК, донорская ДНК используется как "шаблон" для ремонта. Это позволяет клетке точно вставить новые генетические элементы или изменить существующие последовательности в заданной области генома. Донорская ДНК может содержать, например, новый ген, фрагмент гена или небольшие изменения, такие как замена одного нуклеотида, чтобы исправить или изменить функцию гена (см. схему ниже). Данный процесс идет намного менее эффективно по сравнению с NHEJ.
Применение CRISPR-Cas9
CRISPR/Cas9 имеет огромный потенциал в различных областях науки и медицины. Вот несколько примеров:
Лечение генетических заболеваний
На сегодняшний день известно более 6000 генетических заболеваний. Однако для большинства из них отсутствуют эффективные стратегии лечения. Генная терапия — это процесс замены дефектного гена донорской ДНК. Это новейшая разработка произвела революцию в медицинской биотехнологии. Так с 1998 года по август 2019 года было одобрено 22 метода генной терапии, включая инновационный CRISPR/Cas9, для лечения заболеваний человека. С момента своего открытия в 2012 году редактирование генов с помощью CRISPR/Cas9 обещает излечить большинство известных генетических заболеваний, таких как серповидноклеточная анемия (SCD), β-талассемия, муковисцидоз и мышечная дистрофия. CRISPR/Cas9 для целевой терапии серповидноклеточной анемии (SCD) и β-талассемии также применялся в клинических испытаниях.
Серповидноклеточная анемия (SCD) — это генетическое заболевание красных кровяных клеток, которое возникает из-за мутации в белке гемоглобина, что приводит к образованию серповидного гемоглобина (HbS). Это ведет к тяжелым клиническим осложнениям, таким как гемолитическая анемия. Два основных подхода, которые используются для лечения SCD с помощью CRISPR/Cas9 - это непосредственное редактирование гена гемоглобина S или увеличение уровня фетального γ-глобина. Однако наиболее распространенный метод, используемый в клинических испытаниях, основан на подходе увеличения фетального гемоглобина. Сначала из пациентов извлекаются клетки костного мозга, и ген, отвечающий за выключение продукции фетального гемоглобина, отключается с помощью CRISPR/Cas9. Затем отредактированные клетки возвращают обратно в организм. Когда этот ген отключается с помощью CRISPR/Cas9, производство фетального гемоглобина в эритроцитах увеличивается, что снижает тяжесть протекания SCD.
Ученые также исследуют CRISPR/Cas9 для лечения муковисцидоза. Генетическая мутация в гене CFTR снижает функцию белка, который кодирует этот ген, что приводит к развитию данного заболевания. Хотя лечения муковисцидоза не существует, симптоматическая терапия стала основным средством для облегчения симптомов и снижения риска осложнений. В 2013 году исследователи вырастили стволовые клетки кишечника от двух пациентов с муковисцидозом и исправили мутацию в гене CFTR. С тех пор была установлена потенциальная полезность применения CRISPR/Cas9 для лечения муковисцидоза.
Еще один пример – это попытка вылечить мышечную дистрофию Дюшенна (DMD) – заболевание, вызванное мутацией гена дистрофина, которое проявляется в виде мышечной слабости и прогрессирующей потери мышечной массы. Несмотря на значительные усилия, доступное лечение DMD остается поддерживающим. Исследователи успешно отредактировали ген дистрофина в модельном объекте - индуцированных плюрипотентных стволовых клетках пациента - с помощью CRISPR/Cas9 и восстановили синтез белка дистрофина. Таким образом, CRISPR/Cas9 является новым и перспективным подходом к исправлению гена DMD.
Сельское хозяйство
CRISPR/Сas9 используется для улучшения сельскохозяйственных культур, таких как пшеница, кукуруза и рис, делая их более устойчивыми к болезням, вредителям и изменяющимся климатическим условиям. Благодаря точности редактирования генома можно создавать растения с лучшими питательными свойствами или повышенной урожайностью.
Экология и борьба с вредителями
Технология CRISPR открывает новые возможности для борьбы с вредоносными видами, такими как комары, являющиеся переносчиками малярии. С помощью генной модификации можно эффективно снижать численность популяций комаров до уровня, при котором передача заболевания становится невозможной, что потенциально может значительно сократить распространение малярии. Такой подход также позволяет воздействовать на репродуктивные способности насекомых, предотвращая их размножение и создавая долгосрочное решение в области контроля популяций вредителей.
Фундаментальные исследования
CRISPR стал мощным инструментом для изучения функций генов и механизмов развития различных заболеваний. С его помощью можно выключать или изменять определённые гены в различных клеточных культурах и животных моделях, что помогает исследователям понять, как эти гены влияют на здоровье и болезни.
Этические вопросы и вызовы
Несмотря на огромные перспективы, CRISPR/Cas9 вызывает также множество этических вопросов. Самая обсуждаемая тема — это редактирование генов в эмбрионах человека. В 2018 году китайский учёный Хэ Цзянькуй заявил, что использовал CRISPR для изменения ДНК двух эмбрионов с целью создания людей, устойчивых к ВИЧ-инфекции, что вызвало шквал критики в научном сообществе. Вмешательство в человеческую генетику на столь ранней стадии может привести к непредсказуемым последствиям, которые передадутся будущим поколениям.
Также остаётся проблема офф-таргет эффектов (off-target effects) — когда система CRISPR случайно изменяет гены, которые не были целевыми, что может привести к нежелательным мутациям и побочным эффектам.
Заключение
CRISPR — это революционная технология, которая уже меняет лицо биотехнологии и медицины. Она открывает широкие возможности для лечения генетических заболеваний, улучшения сельскохозяйственных культур и решения экологических проблем. В будущем CRISPR может стать основой для персонализированной медицины, где геном каждого человека будет редактироваться с учётом его индивидуальных особенностей и потребностей. Это может полностью изменить подход к лечению многих заболеваний и значительно повысить качество жизни людей. Однако её использование требует взвешенного подхода и учёта этических аспектов, чтобы избежать непредсказуемых последствий и сделать эту технологию безопасной и полезной для всего человечества.
Нравится канал? Не забывайте подписываться, ставить лайки и рекомендовать друзьям 😊👍