CRISPR/Cas9 — это революционный метод редактирования генов, который позволяет модифицировать любую область генома любого вида с высокой точностью и аккуратностью… и делает это, не нанося вреда другим генам.
CRISPR/Cas9, возможно, сейчас популярен в средствах массовой информации, но он существует уже некоторое время. Хотя метод редактирования генов существует уже более 10 лет, ученые исследуют CRISPR на бактериях гораздо дольше — с 1980-х годов. Фактически, первый отчет о CRISPR был опубликован в 1987 году, когда японские ученые обнаружили CRISPR в ДНК бактерий.
Чтобы немного подробнее раскрыть это открытие, в своих попытках изучить конкретный ген, кодирующий белок, в E.Coli исследователи заметили структуру коротких повторяющихся палиндромных последовательностей ДНК, разделенных короткими неповторяющимися «спейсерными» последовательностями ДНК.
В течение следующих пяти лет исследователи поняли, что эти повторы присутствуют во многих бактериях и других одноклеточных организмах. В 2012 году ученые ввели термин «CRISPR», сокращенно от «кластеризованных коротких палиндромных повторов с регулярными интервалами», чтобы описать эту закономерность.
Еще десять лет ученые разрабатывали детали CRISPR. Они выяснили, что повторяющиеся структуры ДНК, а также семейство белков Cas (CRISPR-ассоциированных) и специализированные молекулы РНК играют важную роль в бактериальной иммунной системе.
И эта система — весь комплекс повторов ДНК, белков Cas и молекул РНК — получила название системы CRISPR/Cas.
КАК ЭТО РАБОТАЕТ?
Если вы знакомы с функцией копирования/вставки на своем компьютере, то вы понимаете CRISPR… по крайней мере, на самом базовом уровне.
Когда бактерии сталкиваются с вторгающимся источником ДНК, например вирусом, они могут копировать и включать сегменты чужеродной ДНК в свой геном в качестве «спейсеров» между короткими повторами ДНК в CRISPR.
Эти спейсеры усиливают иммунный ответ бактерий, предоставляя матрицу для молекул РНК, позволяющую быстро идентифицировать и нацеливаться на одну и ту же последовательность ДНК в случае будущих вирусных инфекций. Если молекулы РНК распознают входящую последовательность чужеродной ДНК, они направляют комплекс CRISPR к этой последовательности. Там бактериальные белки Cas, специализирующиеся на разрезании ДНК, сращивают и отключают вторгшийся ген. Клетка пытается восстановить ДНК, но это приводит к мутации, которая навсегда отключает ее функцию.
Осенью 2012 года группа исследователей под руководством ученых Калифорнийского университета в Беркли Дженнифер Дудна и Эммануэль Шарпантье объявила, что они взломали иммунную систему бактерий CRISPR/Cas, чтобы создать новый инструмент редактирования генов. Их система CRISPR/Cas9 включала белок Cas под названием Cas9 и гибридную РНК, которую можно было запрограммировать на идентификацию, разрезание и даже замену любой последовательности гена.
Если целью является вставка нового гена, вставляется короткий фрагмент ДНК или желаемый ген с определенной функцией, чтобы заполнить пробел и заменить исходный ген. Новый ген теперь готов производить желаемый белок в клетке или в пробирке. Но это не все, что мы можем сделать.
Четыре основные вещи, которые мы можем сделать с помощью CRISPR/Cas9, включают:
- Удаление гена: нежелательные гены могут быть удалены из генома, что позволяет исследователям изучить функции, специфичные для генов, и узнать, что происходит с клеткой, когда этих генов нет в геноме.
- Добавьте новый ген: в геном можно добавить нужные гены, что позволит исследователям изучить их функции внутри клеток. Эти гены также могут добавлять клетке новые функции.
- Активация мертвых генов. Гены, которые необходимы для различных функций, но больше не функционируют, можно реактивировать с помощью системы CRISPR-Cas9.
- Контролируйте уровень активности генов: гены более активны, чем обычно, и их можно контролировать, чтобы они производили нужное количество белков, что поможет поддерживать баланс внутри клетки в желаемых условиях.
ПОЧЕМУ CRISPR-CAS9 ТАК ВАЖЕН?
CRISPR использовался для борьбы с ВИЧ, слепотой, для редактирования отдельных букв ДНК и даже в качестве записывающего устройства. Кроме того, CRISPR можно применять в следующих областях:
Здоровье человека: Система CRISPR-Cas9 может произвести революцию в генной терапии и позволить лечить большое количество заболеваний, которые было бы невозможно вылечить без этого метода. Сюда могут входить диабет, рак, муковисцидоз и серповидно-клеточная анемия (учёные уже работают в этих различных областях).
Новые материалы: Управление биологическими цепями с помощью CRISPR-Cas9 будет способствовать созданию синтетических материалов, которые могут быть полезны в различных приложениях, таких как пероральная доставка лекарств и производство биосенсоров.
Разработка лекарств: создание клеток для оптимизации получения высокопроизводительных предшественников лекарств на бактериальных фабриках может значительно снизить стоимость и доступность полезных терапевтических средств.
Применение в исследованиях: система CRISPR-Cas9 может позволить создавать новые модели животных и клеток, которые помогут нам больше узнать о болезнях и протестировать новые лекарства и вакцины на этих моделях.
Сельское хозяйство: инструменты редактирования генов CRISPR могут редактировать сельскохозяйственные культуры, не нанося вреда другим генам, что поможет повысить устойчивость к инфекциям и суровым условиям окружающей среды, улучшая глобальную продовольственную безопасность.
Биоэнергетика. Устойчивое и экономически эффективное биотопливо является привлекательным источником возобновляемой энергии, чего можно достичь путем создания эффективных метаболических путей производства этанола в водорослях или кукурузе.
Хотя использование CRISPR/Cas9 несет в себе огромные возможности для дальнейшего улучшения здоровья и благополучия человека, преимущества CRISPR/Cas9 сопровождаются столь же огромными рисками от потенциального неправильного использования, но также и с непредвиденными последствиями. Сможем ли мы когда-нибудь создать идеального ребенка?
Исследователи в Соединенных Штатах уже рассматривают необходимость регулирования редактирования зародышевой линии человека. В конце 2015 года Национальные институты здравоохранения по-прежнему отказываются финансировать исследовательские предложения по терапии редактирования зародышевой линии CRISPR/Cas. Тем не менее, следует подчеркнуть, что эта политика не распространяется автоматически на проекты, финансируемые из частных источников.
Невозможно предсказать, куда нас приведет следующая инновация или открытие CRISPR. Однако мы знаем, что прогресс будет быстрым.
