Сергей М
6
All posts from Сергей М
Сергей М in Сергей М,

Crispr недостаточно. Приготовьтесь к генетическому редактированию 2.0

Менее чем за пять лет технология редактирования генов, известная как Crispr, произвела революцию в современной биологии. С 2012 года, когда ее способность находить, удалять и заменять генетический материал была зарегистрирована впервые, ученые опубликовали более 5000 работ, упоминающих Crispr. Исследователи области биомедицины осваивают ее, чтобы лучше моделировать различные заболевания. И бесчисленные компании стали предпринимать попытки извлекать коммерческую пользу за счет новых лекарств, методов лечения, продуктов питания, химических веществ и материалов на основе этой технологии.

Обычно, когда мы ссылаемся на Crispr, мы имеем в виду Crispr/Cas9 — рибопротеиновый комплекс, состоящий из короткой цепи РНК и фермента, режущего ДНК. Он сделал для биологии и медицины то, что «Модель T» сделала для производства и транспорта — в процессе демократизируя доступ к революционной технологии и нарушая статус-кво (речь идет об автомобиле от Генри Форда, известном также под названием «Жестяная Лиззи» — первой в мире машине, выпускавшейся миллионными сериями с 1908 по 1927 годы. Она стала символом того, как Форд «посадил Америку на колёса», сделав легковой автомобиль сравнительно доступным для американца среднего класса).

Crispr уже используется для улучшения состояния раковых больных, и в следующем году он может быть допущен к клиническим испытаниям для лечения генетических заболеваний, таких как серповидноклеточная анемия и бета-талассемия.

Но, как и «Модель T», Crispr Classic несколько неуклюж, ненадежен и немного опасен. Он не может связываться просто с любым местом в геноме. Иногда он производит коррекцию в неправильном месте. И у него нет выключателя. Если «Модель T» была склонна к перегреву, Crispr Classic подвержена «перееданию».

Даже с этими ограничениями Crispr Classic будет оставаться рабочей лошадкой для науки в 2018 году и позже. Но в этом году на производственной линии начали выпускаться новые, более яркие инструменты для редактирования генов, обещая затмить их брата первого поколения. Так что если вы только начали задумываться насчет Crispr — пристегнитесь, потому что генетическое редактирование 2.0 уже здесь.

Прицельное режущее воздействие Crispr является его определяющей особенностью. Но когда Cas9 срезает две нити ДНК в организме, привносится элемент риска — при восстановлении такой внезапной травмы генома клетки могут начать ошибаться. Именно поэтому ученые разрабатывают способы достижения тех же самых результатов более безопасным образом.

Один из подходов состоит в том, чтобы создать мутацию фермента Cas9 — такую, чтобы он все еще мог связываться с ДНК, но чтобы его «ножницы» не работали. Затем другие белки, которые активируют экспрессию генов, можно будет комбинировать с этим Cas9, позволяя им включать и выключать гены (иногда с помощью света или химических сигналов) без изменения последовательности ДНК. Такое «эпигенетическое редактирование» может быть использовано для решения ситуаций, возникающих при наличии совокупности генетических факторов — в противоположность простым единичным нарушениям, наиболее подходящих для Crispr Classic (в начале этого месяца исследователи из Института Солка использовали одну такую систему для лечения нескольких заболеваний у мышей, включая диабет, острую почечную недостаточность и мышечную дистрофию).

Другие ученые, в Гарварде и Бродском институте, работают над еще более смелой настройкой системы Crispr: редактирование отдельных пар оснований, по одному за раз. Для этого им пришлось разработать совершенно новый фермент — не взятый из природных — который мог бы химически преобразовать парное соединение нуклеотидов A-T в G-C. Это небольшое изменение с потенциально огромными последствиями. Дэвид Лю, химик из Гарварда, чья лаборатория выполняла эту работу, подсчитала, что примерно половина из 32 000 известных патогенных точечных мутаций у людей может быть исправлена этим единственным преобразованием.

«Я не хочу, чтобы общественность пришла к ошибочной идее, что мы можем заменить любую часть ДНК на любую другую часть ДНК у любого человека или любого животного или даже на любую клетку в чашке», — говорит Лю. — «Но нахождение даже там, где мы сейчас, возлагает большую ответственность. Большой вопрос состоит в том, насколько эффективнее будет становиться этот подход со временем? И как быстро мы сможем перевести эти технологические достижения в пользу общества?»

Crispr развился в бактериях как примитивный механизм защиты. Его задача состояла в том, чтобы находить вражескую вирусную ДНК и резать ее до тех пор, пока ее не останется. Это акселератор без тормозов, и это может сделать его опасным, особенно для клинических применений. Чем дольше Crispr будет оставаться в клетке, тем выше будет шанс, что он найдет что-то похожее на его целевой ген и сделает разрез.

Чтобы свести к минимуму эти «нецелевые» эффекты, ученые разработали ряд новых инструментов для более жесткого контроля активности Crispr.

На настоящий момент исследователи выделили 21 уникальное семейство естественных Crispr-белков — маленьких молекул, которые отключают генетический редактор. Но они знают, как работает только часть из них: некоторые связываются непосредственно с Cas9, не позволяя ему прикрепляться к ДНК; другие включают ферменты, которые вытесняют Cas9 для пространства на геноме. 
В настоящее время исследователи из Калифорнийского университета в Беркли, UCSF, Гарвард, Брод и Университета Торонто усердно работают над тем, как превратить эти естественные «выключатели» в те, которые можно будет программировать.

Помимо медицинских применений, это будет иметь решающее значение для дальнейшего развития генных драйвов — технологии редактирования генов, которая может быстро распространять желаемую модификацию в популяции.

Способность подталкивать эволюцию тем или иным образом станет мощным инструментом для борьбы со многими проблемами — от болезней до изменений климата. Она рассматривается в качестве инструмента для уничтожения малярийных комаров и истребления других вредных видов. Но выпущенная на свободу, она может выйти из-под контроля и, возможно, приводить к тяжелым последствиям. Только в этом году Darpa вложило 65 миллионов долларов на поиск более безопасных генных драйвов, в т.ч. «выключателей» анти-Crispr.

Несмотря на многолетние успехи, ученые до сих пор не понимают многого в отношении того, как именно ошибки в ДНК могут вызывать у человека болезнь. Они знают, какие гены участвуют в клеточных «руководствах к действию», однако сложно понять, куда эти команды доставляются, и как они переводятся (в том числе неверно) в процессе. Именно поэтому группы в Гарварде и Бродском институте во главе с сооткрывателем Crispr Фэн Чжан работают с новым классом ферментов Cas, которые нацелены на РНК вместо ДНК.

Поскольку они являются инструкциями, которые механизмы клетки используют для создания белков, они несут больше информации о генетических основах конкретных заболеваний. И поскольку РНК приходит и уходит, внесение изменений в нее будет полезно для лечения краткосрочных проблем, таких как острое воспаление или рана. Система, которую они называют Repair (что расшифровывается как «RNA Editing for Programmable A to I Replacement» — «редактирование РНК для программируемой замены A на I»), пока работает только для преобразования одного нуклеотида. Следующий шаг — выяснить, как создать остальные 11 возможных комбинаций.

Ученые постоянно находят новые ферменты Cas. Команды в Бродском институте также работают над тем, чтобы описать cpf1 — версию Cas, которая оставляет липкие концы вместо дефосфорилированных, когда режет ДНК. В феврале группа из UC Berkeley обнаружила CasY и CasX, самые компактные системы Crispr. И исследователи ожидают, что в ближайшие месяцы и годы появятся многие другие.

Только время покажет, был ли Crispr-Cas9 лучшим из них, или просто первым, кто захватил умы одного поколения ученых. «Мы не знаем, что будет работать лучше всего в разных вариантах применения», — говорит Меган Хохштрассер, которая сделала свою кандидатскую в лаборатории сооткрывателя Crispr Дженнифер Дудна и теперь работает в Инновационном Институте Геномики. — «Так что на данный момент я считаю, что всем необходимо делать ставку на все эти инструменты одновременно».

Потребуется много лет работы, чтобы текущее поколение генных редакторов перешло из лаборатории к реальным пациентам, линиям овощей и сельскохозяйственным вредителям, несущим болезни.

Если генетическое редактирование 3.0 не сделает их устаревшими первым.