Gēnu inženierija paver cilvēcei iespēju agrāk neeksistēt organismus un iznīcināt ģenētiskās slimības. Tomēr lietas nav tik rožainas, jo pat CRISPR / Cas9 tehnoloģija ir ļoti laba. Viņas pieļautās kļūdas var būt reti, taču pietiek ar vienu, lai kļūtu liktenīga cilvēkam. Lenta.ru stāsta par to, kas ir nepareizi ar CRISPR, un to, kā zinātnieki cenšas novērst situāciju.
CRISPR / Cas9 sistēma - sava veida DNS šķēres - pamatoti tiek uzskatīta par revolūciju gēnu inženierijas jomā. Ar tās palīdzību zinātnieki var rediģēt cilvēka genomu, noņemot no tā kaitīgas mutācijas, un tādējādi ārstēt nepatīkamas un nāvējošas iedzimtas slimības. Nevajadzētu domāt, ka iepriekš šādu metožu nebija. Ģenētikas speciālistu arsenālā bija, piemēram, nukleāzes, kas satur cinka "pirkstus", un endonukleāzes - fermenti, kas konkrētās vietās salauž DNS molekulas. Precizitātes, daudzpusības un izmaksu ziņā tie ir ievērojami zemāki par CRISPR / Cas9, lai gan pēdējie nebūt nav perfekti.
CRISPR / Cas9 sākotnēji izveidoja nevis zinātnieki, bet gan daba. Tas ir molekulārs mehānisms, kas pastāv baktēriju iekšienē un ļauj tām cīnīties ar bakteriofāgiem un citiem parazītiem. Faktiski tas darbojas kā imunitāte pret infekciju. CRISPR (apzīmē "īsus palindromiskus atkārtojumus, kas regulāri izvietoti grupās") ir īpaši DNS reģioni (lokusi). Tie satur īsus DNS vīrusu fragmentus, kas savulaik inficēja mūsdienu baktēriju senčus, bet tika sakauti ar viņu iekšējo aizsardzību. Šos gabalus sauc par starplikām, un tie ir atdalīti viens no otra, atkārtojot secības.
Kad bakteriofāgs iebrūk baktērijā, katru atkārtojošo secību un blakus esošo starpliku izmanto kā veidni molekulu, ko sauc par crRNS, sintēzei. Tiek veidotas daudzas dažādas RNS ķēdes, tās saistās ar Cas9 proteīnu, kura uzdevums ir ārkārtīgi vienkāršs: sagriezt vīrusa DNS. Tomēr viņš to varēs izdarīt tikai pēc tam, kad crRNS atradīs vīrusa DNS komplementāru fragmentu. Pēc tam, kad Cas9 sašķeļ svešo nukleīnskābi, pēdējo pilnīgi iznīcina citas nukleāzes.
CRISPR / Cas9 ir labs tieši ar precizitāti, jo baktērijām pareiza imūnsistēmas darbība ir dzīvības un nāves jautājums. "Pretvīrusu" sistēmai jāatrod vīrusa DNS sadaļa starp miljonu citu un, pats galvenais, nejauciet to ar savu genomu. Miljonu gadu evolūcijas laikā baktērijas ir pilnveidojušas šo mehānismu. Tātad uzreiz pēc tam, kad viņi saprata, kāpēc nepieciešama CRISPR sistēma, viņi saprata, ka to var pieradināt kā vēl nebijušu precīzu gēnu rediģēšanas rīku.
Lai aizstātu vienu konkrētu reģionu genomā ar citu, nepieciešams sintezēt vadošo RNS, kas principā ir līdzīgs crRNS. Tas stāsta Cas9, kur nepieciešams veikt divkāršu pārtraukumu modificētā organisma DNS. Tomēr mums nav nepieciešams sabojāt gēnu, bet gan to modificēt - piemēram, aizstāt vienu vai vairākus nukleotīdus un noņemt kaitīgo mutāciju. Šeit daba atkal nāk talkā. Dabiski remonta mehānismi nekavējoties sāk atjaunot sagriezto ķēdi. Triks ir tāds, ka, lai to izdarītu, daži RNS fragmenti tiek noņemti netālu no pārtraukuma, pēc kura tur tiek ievietotas līdzīgas sekvences. Zinātnieki tos var aizstāt ar savām DNS sekvencēm un tādējādi modificēt genomu.
CRISPR shematisks attēlojums
Reklāmas video:
Attēls: Kaidors / Vikipēdija
Tomēr nekas nav ideāls. Neskatoties uz relatīvo precizitāti, CRISPR dažreiz pieļauj kļūdas. Viens no iemesliem ir sistēmas būtība. Baktērijām ir neizdevīgi, ja crRNS simtprocentīgi sakrīt ar vīrusa DNS fragmentu, kas var atšķirties pēc viena vai diviem nukleotīdiem. Viņai labāk ir tas, ka daži nukleotīdi varētu būt atšķirīgi, kas mikroorganismam dod lielākas iespējas cīnīties ar infekciju. Tajā pašā laikā gēnu inženierijā zema specifika draud ar kļūdām: izmaiņas var veikt nepareizā vietā. Ja tas notiks eksperimentu laikā ar pelēm, īpašas traģēdijas nebūs, bet cilvēka genoma rediģēšana var kļūt par katastrofu.
Tas izskaidro Rietumu zinātnieku bažas par eksperimentiem, kas tiek veikti Ķīnā. Āzijas pētnieki ir izmantojuši CRISPR tehnoloģiju, lai ģenētiski modificētu cilvēka embrijus. Šādi eksperimenti ir aizliegti Eiropā un Amerikas Savienotajās Valstīs, taču nesen Lielbritānija tos ir atļāvusi - tikai pētniecības nolūkos. Šādi embriji būs jāiznīcina pāris nedēļu laikā pēc saņemšanas, kas izslēdz ĢM cilvēku "audzēšanu".
Tomēr CRISPR / Cas9 nebūtu tik lielisks, ja to nevarētu uzlabot. Tātad, zinātnieki mācīja Cas9 sagriezt nevis divas ķēdes vienlaikus, bet tikai vienu. Izgriezums tiek veikts divās dažādās DNS sekvences vietās uz dažādiem pavedieniem, tāpēc sistēmai jāspēj atpazīt divreiz vairāk nukleotīdu nekā parasti, padarot to precīzāku.
Olbaltumvielu Cas un crRNS
Foto: Thomas Splettstoesser / Wikipedia
Rietumu Ontario universitātes zinātnieki ir atraduši citu veidu, kā uzlabot šo tehnoloģiju. Viņi mēģināja atrisināt sagrieztās DNS labošanas problēmu. Strauja nukleīnskābes ķēdes atjaunošana noved pie tā, ka zinātniekiem nav laika pašiem veikt korekcijas genomā. Tādējādi tiek izveidots apburtais loks: ķēde, kas salabota nevēlamā veidā, atkal jāpārgriež ar Cas9 proteīnu.
Lai tas nenotiktu, pētnieki pārveidoja olbaltumvielu šķēres, izveidojot TevCas9 olbaltumvielu. Tas sagriež DNS virkni divās vietās, apgrūtinot vietas labošanu. Lai sintezētu jauno fermentu, Cas 9 pievienoja enzīmu I-Tevl, kas arī ir endonukleāze, tas ir, olbaltumviela, kas sašķeļ DNS molekulu vidū, nevis atrauj secības galus, kā to dara eksonukleāzes. Iegūtais kodolsintēzes olbaltumviela izrādījās precīzāka, saistoties ar noteiktām vietām un mazāk kļūdījās un sagrieza nepareizo vietu.
Cas9 kristāla struktūra, kas saistīta ar DNS
Foto: Cas9 wiki projekts / Wikipedia
Ir vēl viens veids, kā uzlabot CRISPR sistēmu precizitāti. "Bruņošanās sacensība" starp baktērijām un vīrusiem ir izraisījusi ne tikai aizsardzības sistēmu attīstību mikroorganismos, bet arī veidus, kā tās neitralizēt. Tādējādi bakteriofāgi ātri mutējas, zaudējot apgabalus, pēc kuriem baktēriju imunitāte tos atpazīst. Tomēr daži kodi anti-CRISPR olbaltumvielām, traucējot crRNA-Cas9 kompleksa darbu.
8. decembrī žurnāls Cell publicēja Toronto universitātes zinātnieku rakstu, kas izveidoja "anti-CRISPR" - sistēmu, kas ļauj izslēgt mehānismu noteiktos apstākļos. Tas novērš nevēlamas kļūdas, nomācot Cas9 aktivitāti gadījumā, ja vadošā RNS saistās ar nepareizo fragmentu. Anti-CRISPR sastāv no trim olbaltumvielām, kas inhibē nukleāzi un ko kodē viena no baktēriju vīrusu gēni.
Jau tagad CRISPR tehnoloģija tiek izmantota tādu nopietnu slimību kā leikēmija un plaušu vēzis ārstēšanai, kā arī tiek pārbaudīta, lai attīrītu imūnās šūnas no HIV. Kad zinātnieki atrod jaunus veidus, kā uzlabot šo metodi, pavērsies arvien jaunas iespējas tās pielietošanai.
Aleksandrs Enikejevs