Как правильно разрезать геном

Что такое CRISPR

CRISPR (CRISPR/Cas9) — это инструмент редактирования геномов, который позволяет удалять и добавлять части генетического материала с высокой точностью за считаные дни.

В 1987 году японские ученые при изучении кишечной палочки Escherichia coli обнаружили в ее ДНК необычные повторяющиеся последовательности. Затем такие же цепочки обнаружились в геноме других бактерий. Им дали название CRISPR (Clustered Regular Interspaced Short Palindromic Repeats, короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами).

Уже в 2007 году специалисты по бактерии Streptococcus, которая используется для приготовления кисломолочных продуктов, выяснили, что такие фрагменты выступают частью иммунной системы бактерий. Когда бактерии борются с вирусами, то разрезают остатки их генетического материала и сохраняют внутри своих последовательностей CRISPR, чтобы использовать информацию при отражении новых атак. Так появляется иммунитет к тому или иному вирусу. При нападении бактерия вырабатывает белки Cas9, которые несут фрагмент генетического материала вируса. При совпадении фрагментов Cas9 разрезает генетический материал вируса и нейтрализует его.

В 2011 году биологи Дженнифер Дудна и Эммануэль Шарпантье выяснили, что белок Cas9 можно обмануть, если дать ему искусственную РНК. Несущий ее белок будет искать похожие генетические фрагменты и начнет измельчать чужую ДНК независимо от того, принадлежит ли она вирусу, растению или животному. Дудна и Шарпантье в своей работе отметили, что это потенциально позволяет применять «генетические ножницы» для разрезания генома любого организма в нужном месте.

В феврале 2013 года ученые доказали, что CRISPR/Cas9 можно использовать для редактирования ДНК в клетках мышей и человека. Тогда же выяснилось, что технология позволяет вставлять на место вырезанных фрагментов другие — для этого достаточно добавить специальные ферменты, восстанавливающие ДНК. После этого исследователи начали активно изучать технологию и выпускать на эту тему множество работ. Так, они выяснили, что другой белок — Cas13 — может редактировать не ДНК, а РНК.

В 2020 году Дудна и Шарпантье получили Нобелевскую премию по химии за обнаружение способа изменить ДНК организма.

Перспективы применения технологии

Технология редактирования генома не нова, но отличие CRISPR состоит в относительной дешевизне внедрения и скорости работы, а также ее универсальности. Это открывает широкие возможности потенциального применения «генетических ножниц».

Исследователи выделяют несколько наиболее перспективных областей для CRISPR.

Сельское хозяйство

Технология CRISPR позволит редактировать геном различных культур, чтобы сделать их более питательными и устойчивыми к внешним условиям. Так, ее потенциально можно использовать, чтобы удалить аллерген из арахиса, а также защитить бананы от грибка. Исследователи изучают потенциал CRISPR и в редактировании генома животных, чтобы, например, выводить безрогих дойных коров.

В целом технология позволит создавать более полезные и плодородные культуры. При редактировании генома риса в Китае уже удалось получить сорт, урожайность которого была выше средней на 66%. А японские исследователи вывели ячмень, стойкий к преждевременному прорастанию до сбора урожая.

Наконец, технология поможет в создании совершенно новых культур или продуктов с улучшенными свойствами. Исследователи уже экспериментируют с выведением более сладкой клубники или томатов без семян.

Медицина

Технология CRISPR позволяет с высокой точностью уничтожать определенные виды бактерий, устойчивых к вирусам. Ряд исследователей также работают над CRISPR-системами, нацеленными напрямую на вирусы, такие как ВИЧ и герпес первого типа. Такие системы используют смешанный подход, который позволит активировать защитный механизм носителя заболевания и одновременно подавить вирус.

Генетический драйв

CRISPR позволит изменить не только геном отдельного животного и растения, но и целого вида. Эта концепция получила название «генетический драйв». Идея заключается в том, что обычно организм передает потомству половину своих генов, но CRISPR позволяет повысить вероятность такой передачи почти до 100%. Это делает возможным быстрое внедрение в геном позитивных мутаций, например, связанных с восприимчивостью к болезням. Так, исследователи в Буркина-Фасо смогли вывести комаров, которые не будут заражаться малярийным плазмодием и не смогут передавать паразита людям.

Однако пока эксперименты в этой области осложняются отсутствием необходимого законодательного регулирования и опасениями некоторых ученых из-за того, что такое глобальное вмешательство может сказаться на экосистеме планеты.

Редактирование генома человека до рождения

Это самая впечатляющая перспектива применения CRISPR, которая связана с редактированием генов еще не рожденных младенцев. Так, ребенку можно будет «задавать» более высокий уровень интеллекта или атлетическое телосложение. Однако концепция сталкивается с целым рядом проблем, которые препятствуют ее реализации. Во-первых, редактировать такие гены сложно: например, за уровень интеллекта отвечают тысячи из них. Во-вторых, ученые указывают, что CRISPR может вызвать обширные непреднамеренные мутации. Авторы одной работы утверждают, что технология склонна ошибаться в 15% случаев.

«Реальность такова, что мы еще недостаточно понимаем геном человека, то, как взаимодействуют гены, какие гены порождают определенные черты. Со временем это изменится», — говорила Дженнифер Дудна в 2015 году.

Правительства также занимают жесткую позицию в отношении подобных экспериментов. В феврале 2017 года Национальная академия наук США заявила, что разрешит испытания только при серьезных заболеваниях и под строгим надзором.

Тем не менее исследователи из разных стран продолжают проводить эксперименты, если могут получить финансирование. В 2018 году китайский ученый Хэ Цзянькуй отредактировал геном человеческих эмбрионов, чтобы защитить их от ВИЧ, а затем подсадил их женщине. В результате на свет появились первые генно-модифицированные люди — близнецы Лулу и Нана. Однако система редактирования внесла в их геном не ту мутацию, которая планировалась. В настоящее время судьба девочек остается неизвестной. Сам Цзянькуй после отбывания тюремного срока в 2022 году объявил, что намерен опробовать усовершенствованную технологию для борьбы с болезнью Альцгеймера.

Уже в 2019 году исследователи из Гарварда под руководством Дэвида Лю предложили новый способ редактирования генов — праймированное редактирование. В нем используется мутантная версия Cas9, которая способна резать только одну цепочку ДНК, чтобы не создавать его разрыв. Одновременно Cas9 несет белок, который способен синтезировать ДНК на матрице РНК. В итоге система сначала надрезает одну цепочку ДНК, вставляет туда необходимую последовательность, а уже затем редактирует вторую цепочку. Такой метод значительно снижает частоту разрывов и ошибок при редактировании ДНК, что уменьшает и риски нежелательных мутаций. Авторы разработки смогли таким образом справиться с серповидноклеточной анемией, (наследственной хронической аномалией, при которой меняется строение гемоглобина), а также сделали клетки устойчивыми к ней.

В 2023 году ученые из Массачусетского технологического института представили новую систему редактирования генома, которая будет более управляемой, чем CRISPR. Она использует короткие фрагменты РНК в качестве ориентира для точного разрезания ДНК-мишени. Однако в процессе используются белки Fanzor, а не Cas. Они закодированы в геноме грибов, водорослей, амеб и двустворчатых моллюсков, а также имеют общего с Cas предка — прокариотические РНК-управляемые системы геномного редактирования OMEGA. Пока версия системы Fanzor оказалась менее эффективной, чем CRISPR/Cas, но при определенной комбинации мутаций ее точность была на порядок выше.

Первые шаги в применении CRISPR

В 2023 году сразу две страны — Великобритания и США — одобрили CRISPR-лечение серповидной анемии и бета-талассемии. Оба заболевания имеют схожие черты, они вызывают сильные боли и разрушение внутренних органов, но во втором случае симптомы менее тяжелые. Обычно эти болезни признают неизлечимыми, а состояние пациента поддерживают медикаментами и регулярным переливанием крови.

Casgevy отключает ген BCL11A, который в норме подавляет выработку другого гена фетального гемоглобина, активного лишь у эмбрионов. В результате у пациента активируется этот третий ген, и он берет на себя функции доставки кислорода.

Чтобы провести такую терапию, у пациента забирают кроветворные стволовые клетки костного мозга, проводят их CRISPR-редактирование, а затем вводят обратно, предварительно подготовив организм, в том числе с помощью химиотерапии. Этот процесс занимает несколько месяцев. Эксперименты подтвердили, что Casgevy позволяет практически избавиться от симптомов заболеваний на год и дольше.