Редактор генома CRISPR: технология, которая изменит медицину

Редактор генома CRISPR: технология, которая изменит медицину
  • 12.02.18
  • 0
  • 1117
  • фон:

Выступая на Совете по науке и образованию, в котором принял участие глава государства Владимир Путин, академик Ольга Донцова рассказала о "природоподобной" технологии изменения генома CRISPR. В интервью РИА Новости она объяснила, почему в нашей стране следует активнее поддерживать этот метод генной инженерии.

В геноме бактерий содержатся участки, которые играют роль своеобразной иммунной системы, защищающей от бактериофагов — бактериальных вирусов. В 2012 году ученые обнаружили, что эту систему можно модифицировать таким образом, чтобы редактировать с ее помощью геном других организмов.

Система включает молекулу РНК (CRISPR), в которую можно вставить желаемый участок узнавания в геноме, а также участок взаимодействия с белком-ферментом Cas9, который, собственно, разрезает ДНК в клетке другого организма. Таким образом, РНК направляет в нужное место фермент, который вносит разрыв в молекулу ДНК. Далее природная система (она называется "негомологическое соединение концов") сшивает разрыв, при этом могут теряться или добавляться нуклеотидные остатки, меняя таким образом генетическую информацию в месте разреза. В итоге в заранее выбранном участке ДНК возникает мутация.

По словам Ольги Донцовой, возглавляющей кафедру химии природных соединений химического факультета и отдел структуры и функций РНК НИИ физико-химической биологии имени А. Н. Белозерского МГУ, геномное редактирование позволит создавать новые породы селькохозяйственных животных, сорта растений, даст возможность облегчить состояние людей с редкими генетическими заболеваниями и многое другое.

Академик назвала технологию CRISPR/Cas "прорывной" и "природоподобной", поскольку она основана на естественной системе, существующей у бактерий. В ответ на это Владимир Путин поставил задачу в кратчайшие сроки разработать программу геномных исследований.

 
Академик РАН Ольга Донцова

— Ольга Анатольевна, поясните, почему вы обратили внимание главы государства на технологию геномного редактирования?

— Потому что это прорыв, можно сказать, третья революция в молекулярной биологии после открытия спирали ДНК Уотсоном и Криком и расшифровки генома. CRISPR/Cas позволяет легко и быстро манипулировать с геномом на "природном уровне". Как я объясняла в докладе президенту, это когда мы ничего не делаем в клетке сверх того, что может и природа. С помощью этой технологии, конечно, нам подвластны и более сложные задачи, сугубо для научных исследований. Но широкие перспективы открываются перед самыми разнообразными областями: это не только появление новых полезных сельскохозяйственных культур и пород животных с заданными свойствами, но и разработки систем производства полезных продуктов, например лекарств, когда бактерии, дрожжи и разные клеточные культуры вырабатывают нужные нам вещества. В докладе я упомянула только один аспект применения в медицине (речь идет о миодистрофии Дюшена, редком наследственном заболевании, которое приводит к деградации мышц. — Прим. ред.), но вот, к примеру, у некоторых скандинавов наблюдается мутация, в результате которой они не заражаются ВИЧ. Почему бы не внести направленные мутации в соматические клетки уже больного человека, что поможет остановить распространение вируса по клеткам организма? Это революционная технология, которая в корне меняет представление о том, что мы можем делать с генами и что нет.

— Вы рассказали, что с помощью особой системы разрезают спираль ДНК, которая затем сама себя восстанавливает. Как это происходит?

— Дело в том, что геномный редактор разрезает обе цепи в спирали ДНК. А это очень плохо для клетки, потому что она тогда не может делиться. Она начинает подавать тревожные сигналы с помощью специальных молекул о том, что у нее есть двухцепочечный разрыв. Сигнал распознает особая ферментативная система негомологического соединения концов и начинает сшивать ДНК. Она либо отрезает от цепочек несколько лишних нуклеотидных остатков, либо их добавляет. В зависимости от того, на сколько нуклеотидов изменился фрагмент ДНК, ген, на который мы нацелили редактор, либо перестает работать, "выключается", либо возникает мутация — замена одной аминокислоты на другую, потеря или вставка одной, нескольких аминокислот. Далее ученые могут выбрать ту линию клеток (или животных, растений), которые несут именно то изменение, которое запланировано. То есть, можно сделать так, что ген-мишень продолжает функционировать, белок вырабатывается, но уже немного другой, измененный нужным образом.

— Получается, что CRISPR-системой мы можем выключить какой-то ген в ДНК или что-то в ней поменять?

— Да, выключить или сделать точечную мутацию. Можем добавить в геном дополнительную матрицу, чтобы прочитать ту последовательность, которую нам нужно туда вставить, и таким образом можем заменить какую-то аминокислоту. Это тоже природная ситуация. Что такое генномодифицированные организмы, которых многие боятся? Это когда в геном одного организма встраивают чужой ген — из другого организма. Невозможно предсказать, в какое место ДНК он встроится. В новой технологии никаких чужих генов мы не встраиваем и вообще ничего не делаем сверх того, что не могла бы сделать сама природа. Появился такой инструмент, который позволяет не ждать милости от природы, а быстро и направленно в одном конкретном месте ДНК, которое мы хотим изменить, что-то включить или выключить.

— Допустим, мы выключили какой-то дефектный ген. Почему ДНК не восстанавливается заново с тем же дефектом?

— А потому что мы в обеих цепочках ДНК сделали изменение, обе разорвали. В принципе, существует механизм исправления двухцепочечного разрыва. Гомологическая рекомбинация называется. Она больше используется в конце фазы деления клетки, когда у нас не две, а четыре копии ДНК. Тогда для правильного прочтения и восстановления генома используется вторая копия. Этот механизм, кстати, можно применить для более точного редактирования.

— То есть у метода есть проблемы с точностью?

— Как и у любого научного метода. Собственно, ученые сейчас работают над тем, чтобы повысить его точность. В процессе редактирования генома могут возникать ненужные мутации. Экспериментируя с клетками, ученые обязаны убедиться, что не внесли в их геном ничего непредусмотренного.

— Когда мы говорим об исправлении генома у человека с редким генетическим заболеванием, то речь идет о конкретном индивиде? У его детей генетический дефект проявится?

— Мы можем изменить геном отдельных клеток конкретного больного, чтобы помочь ему справиться с заболеванием, но у его потомков мутация сохранится. Чтобы изменить геном и в половых клетках, нужно вторгаться в эмбрион. Но я считаю, что изменять геном эмбриона человека неэтично. Нельзя этого делать. Вмешиваться в геном эмбриона недопустимо, с моей точки зрения.

— В докладе вы говорили о возможности создания курицы без перьев или картошки без крахмала? Как мы получим такие породы, сорта?

— Это как раз самое простое. Нам известен метаболический процесс, в результате которого вырабатывается крахмал. Если выключить один из ферментов в этом процессе, то получим картошку, если и не совсем без крахмала, то со сниженным его содержанием. Или, к примеру, есть ген, который регулирует развитие мышц. Он в процессе развития организма выключается. Если помешать этому выключению, то получим супермясное животное, которое будет просто под тяжестью своего мяса с трудом передвигаться. Такие эксперименты уже описаны в научной литературе.

Чтобы получить породу, геном редактируют на уровне эмбрионов. Такие эксперименты проводят в лаборатории геномного редактирования МГУ под руководством профессора Петра Сергиева.

— Наши ученые имели какое-то отношение к открытию системы CRISPR?

— Открытие сделали за рубежом, но наши ученые развивают его. К примеру, в Сколтехе под руководством Константина Северинова занимаются разработкой других систем редактирования генома. Это важно, потому что новую систему можно запатентовать. Кроме того, остается проблема точности редактирования, которую решают разными путями.

Много научных групп у нас практически применяют эту технологию в опытах на клеточных культурах, что не менее важно, потому что первые модельные эксперименты делают сначала на клеточной линии, а потом уже на организме.

— Мы можем продемонстрировать уже в ближайшее время какие-то практические результаты, полученные с помощью метода геномного редактирования?

— В области фундаментальной науки эти новые идеи мы быстро освоили, а вот с точки зрения практики немножко отстаем. Но если будет государственная программа, то и практические результаты, безусловно, появятся.

Источник