Генные ножницы что это

Американка и немка изобрели допинг будущего и получили Нобелевскую премию. «Генетические ножницы» изменят мировой спорт

О генном допинге много говорят, и ряд препаратов уже давно в ходу. Например, GW 1516 — он уже входит в запрещенный список, а первым в истории за него дисквалифицировали российского конькобежца Сергея Лисина. Правда, откуда он взялся в организме спортсмена — темная история, и скорее всего, без вмешательства на тот момент руководителя Московской антидопинговой лаборатории Григория Родченкова не обошлось.

GW 1516 перестраивает работу человеческих генов, заставляя сжигать жир, а не углеводы. Но по сути это такой же допинг, как ЭПО или анаболические стероиды, то есть препарат, который надо применять определенными курсами. И с огромным риском попасться на допинг-контроле и заработать смертельное побочное заболевание. Настоящий допинг будущего может стать совсем иным.

Лечить неизлечимые заболевания или создавать чемпионов?

Шарпентье и Дудна стали авторами работы по редактированию генома человека — то есть создали так называемые генетические ножницы. Смысл в том, что этими ножницами можно разрезать ДНК в нужном месте и затем соединить, убрав определенный кусок. Потенциально такая «генная редакция» — это ключ к лечению множества генетических заболеваний, на данный момент неизлечимых и сильно усложняющих жизнь человека. Спасение для сотен и тысяч детей, в том числе и нерожденных.

Но есть у генетических ножниц огромный потенциал и в плане профессионального спорта. Исправив геном еще на стадии эмбриона в нужном месте, можно гарантировать рождение идеального атлета — от природы сильного, выносливого и ловкого. Такому человеку допинг в нашем нынешнем понимании просто не нужен. Все требуемые качества у него будут от природы, вплоть до нужного для конкретного вида спорта роста, веса и структуры мышечной ткани.

Конечно, на частном уровне проводить такие эксперименты невозможно. Но кто гарантирует, что к современным технологиям не обратятся целые страны? Вкладываешь немаленькую сумму сейчас — зато через 15-20 лет гарантированно получаешь целое поколение чемпионов. И никаких скандалов с перепроверками проб, дырками в стене и прочими преступлениями.

— Почему те, кто выиграл от удачного «генетического жребия», не должны сталкиваться с равной генетической конкуренцией? — пишет американский ученый Джон Энтин. — Многие великие спортсмены получили огромный гандикап благодаря генетическим мутациям, благоприятным для своего вида спорта. Почему мы спокойно реагируем на то, что некоторые спортсмены находятся слишком далеко от генетической нормы?

Первые генетически модифицированные близнецы родились в Китае

Пока главная проблема «генетических ножниц» — это этика. В большинстве стран запрещены подобные вмешательства. Еще несколько лет назад китайский профессор Хэ Цзянькуй рассказал, что модифицировал ДНК еще не рожденных близнецов, с тем чтобы они не заразились от ВИЧ-положительной матери. Дети родились здоровыми, однако ученый столкнулся с жесткой критикой и в родной стране даже был осужден.

Теоретически такие эксперименты являются опытами над людьми. А если допустить, что вмешательство проводится с целью достижения результатов в спорте, то это и торговля людьми, ведь каждый такой эмбрион — это в перспективе источник денег и славы. Но как доказать, что вмешательство имело место?

Технология «генетических ножниц» появилась совсем недавно. А вот спустя несколько десятилетий, вполне вероятно, будет применяться более широко. И тогда возникнут вопросы: что такое, например, гиперандрогенизм, как у южноафриканской легкоатлетки Кастер Семени, — злая шутка природы или чье-то намеренное желание создать сверхчеловека?

Несомненно, что ни ВАДА, ни какая-то другая международная организация на сегодняшний день к таким вызовам не готовы. Нынешние попытки найти что-то запрещенное в анализах просто смешны по сравнению с тем, что может ждать мировой спорт в будущем. Вопрос только, когда это будущее наступит.

Источник

Люди с молекулярными ножницами

«Мы создаём мутантов»

Нариман Баттулин, заведующий лабораторией генетики развития. Институт цитологии и генетики Сибирского отделения РАН

Как вы решили стать учёным?

Какими исследованиями занимается ваша лаборатория?

Почему для работы вы выбрали метод молекулярных ножниц?

Любая модификация генома связана с разрезанием ДНК. Необходим соответствующий инструмент. С 1970-х годов для этого используют ферменты рестриктазы. Но в больших геномах типа человеческого их очень сложно нацелить в определённое место, а значит, рестриктазы просто искрошат весь геном. Учёным нужен был механизм, который не просто разрезает ДНК, но и делает этот разрез в конкретном месте. Прежние системы были очень громоздкие, сложные и дорогие. CRISPR/Cas9 обходится почти в 10 раз дешевле.

Когда технология CRISPR/Cas9 окончательно созреет, в каком проекте вы бы хотели её применить?

Ваша любимая научная шутка?

Как работают молекулярные ножницы

От зубастого цыплёнка к воскрешению динозавров

Дмитрий Карпов, старший научный сотрудник лаборатории регуляции внутриклеточного протеолиза. Институт молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта РАН

Как вы решили стать учёным?

Летом между 6-м и 7-м классом, пока одноклассники отдыхали, я готовился к первой в своей жизни школьной олимпиаде по биологии. Учитель разрешал пользоваться всем, что можно было найти в биологическом классе: плакатами, муляжами, коллекциями насекомых. Был в классе и микроскоп. Когда я устал рассматривать готовые препараты для микроскопа, в голову пришла необычная мысль. Я приготовил препарат на основе воды из-под цветочного горшка. В этой капле я с изумлением обнаружил микроскопическую живность! Этот день полностью перевернул моё представление о мире, и именно тогда мне захотелось изучать клеточную биологию.

Какими исследованиями занимается ваша лаборатория?

Мы изучаем внутриклеточные механизмы разрушения белков. Они нужны, чтобы клетка могла избавиться от повреждённых или мутировавших белков. Если эти механизмы сломаются, могут начатьcя проблемы: развиваются, например, нейродегенеративные заболевания вроде болезни Альцгеймера, появляются злокачественные образования.

Почему для работы вы выбрали метод молекулярных ножниц?

Эта технология удобна по сравнению с предшествующими. Необходимо определиться только с последовательностью направляющей РНК, которая нацеливает редактор в нужное место генома. Кроме того, метод позволяет работать одновременно с несколькими мишенями: можно легко удалить часть гена, ген целиком или несколько генов.

Когда технология CRISPR/Cas9 окончательно созреет, в каком проекте вы бы хотели её применить?

Ни у одной из современных птиц, кроме этого трансгенного цыплёнка, зубов нет.

Ваша любимая научная шутка?

Как починить генетическую поломку

Татьяна Егорова, научный сотрудник лаборатории моделирования и терапии наследственных заболеваний. Институт биологии гена РАН

Как вы решили стать учёным?

Какими исследованиями занимается ваша лаборатория?

Почему для работы вы выбрали метод молекулярных ножниц?

Когда технология CRISPR / Cas9 окончательно созреет, в каком проекте вы бы хотели её применить?

Ваша любимая научная шутка?

Источник

Две женщины получили Нобелевку по химии за создание «генетических ножниц»

Нобелевскую премию по химии 2020 года присудили за развитие метода редактирование генома, сообщил в Стокгольме генеральный секретарь Шведской королевской академии наук Горан Ханссон. В пресс-релизе Нобелевского комитета говорится, что в этом году премию получат американка Дженнифер Дудна и француженка Эмманюэль Шарпантье за создание «генетических ножниц», то есть «инструмента перезаписи кода жизни».

Сразу две женщины получили Нобелевскую премию по химии впервые в истории.

В Нобелевском комитете пояснили, что «генетические ножницы» позволяют ученым с чрезвычайно высокой точностью изменять ДНК растений, животных и микроорганизмов, за несколько недель делая то, что раньше было очень трудоемким процессом или вовсе невозможно. Использование нового метода помогло вывести сельскохозяйственные культуры, устойчивые к вредителям и легко переносящие засуху.

Глава Нобелевского комитета по химии Клас Густафссон также отметил, что созданный лауреатами «инструмент» позволит разработать революционные методы лечения разного рода заболеваний, в том числе рака. «Мечта о том, чтобы вылечить наследственные заболевания, вот-вот станет реальностью», — говорится в сообщении Нобелевского комитета.

Размер Нобелевской премии в 2020 году увеличен на 1 млн шведских крон, до 10 млн ($1,12 млн).

Нобелевская неделя началась 5 октября, в понедельник: были объявлены лауреаты премии по медицине. Ими стали американские ученые Чарльз Райс и Харви Олтер, а также британец Майкл Хоутон, получившие награду за открытие вируса гепатита C. Это помогло создать способы лечения болезни и предотвратить ее распространение при переливании крови.

6 октября было объявлено о присуждении премии по физике за работы по изучению черных дыр. Британец Роджер Пенроуз получит половину премии за открытие, что «образование черных дыр служит надежным подтверждением общей теории относительности», а американцы Райнхард Генцель и Андреа Гез — за «открытие супермассивного компактного объекта в центре галактики».

В четверг, 8 октября, Нобелевский комитет объявит лауреата премии по литературе. 9 октября станет известен лауреат Нобелевской премии мира. Наконец, 12 октября Банк Швеции назовет лауреата премии в области экономических наук памяти Альфреда Нобеля (неофициально она называется Нобелевской премией по экономике, хотя была учреждена не самим Нобелем, а Банком Швеции в 1969 году).

С 1901 по 2019 год Нобелевская премия по химии вручалась 111 раз, за эти годы ее лауреатами стали 183 человека, в том числе английский биохимик Фредерик Сенгер дважды — в 1958 году «за установление структур белков, особенно инсулина», и в 1980-м «за вклад в установление последовательностей оснований в нуклеиновых кислотах». В большинстве случаев (63 раза) премию получал один ученый, 23 раза награда делилась между двумя и еще 25 раз — между тремя лауреатами.

До сих пор женщины получали Нобелевку по химии пять раз. Первой этой чести удостоилась в 1911 году за открытие радия и полония Мария Склодовская-Кюри. В 1935-м ее дочь Ирен Жолио-Кюри разделила премию со своим мужем Фредериком Жолио-Кюри. В 1964 году биохимик Дороти Кроуфут-Ходжкин получила Нобелевку «за определение с помощью рентгеновских лучей структур биологически активных веществ». В 2009-м израильский кристаллограф Ада Йонат разделила премию с двумя коллегами «за исследования структуры и функций рибосомы». Наконец, в 2018 году американка Фрэнсис Арнольд получила награду за изучение «направленной эволюции ферментов».

Больше всего среди награжденных Нобелевской премией по химии ученых из США (66 человек). Единственным химиком из нашей страны, получившим эту премию, стал в 1956 году участник советского атомного проекта Николай Семенов, разработавший теорию цепных реакций (награда вручена также Сирилу Хиншелвуду).

Источник

Что такое молекулярные ножницы?

А что такое ножницы? Как мы все знаем, они являются общим инструментом, без которого почти каждый класс искусств и ремесел был бы неполным. Будь то бумага или кожа, ножницы являются наиболее распространенными инструментами, используемыми во всем мире для резки вещей. Но как насчет молекулярных ножниц? Хотите, верьте, хотите нет, но без молекулярных ножниц вся сфера биотехнологий была бы несуществующей. Именно из-за этих молекулярных инструментов мы смогли сделать изменения в игре, такие как появление ГМО!

Что такое генная манипуляция?

Генная манипуляция также известна как «генная инженерия» или «генетическая модификация». Это относится к непосредственному манипулированию генами организма с помощью биотехнологий. Метод широко применяется для лечения генетических заболеваний, получения нетоксичных ГМО, а также в производстве генетически модифицированных животных, которые играют существенную роль в исследованиях. Генная инженерия также имеет значительное применение в области медицины.

Например, рассмотрим растение, которое подвержено нападению насекомых. Как только он вырастает из земли, насекомые пожирают весь урожай, что приводит к значительным потерям. С помощью генной манипуляции геном этого растения может быть изменен таким образом, что при нападении насекомого растение выживает, а насекомое погибает. Такие изменения могут также помочь в области гербицидной устойчивости, улучшенного питания и устойчивости к давлению окружающей среды в растениях, в частности.

Как происходит манипуляция генами?

Чтобы понять это правильно, давайте посмотрим, как происходит генная манипуляция. Во-первых, выделяется ДНК организма, чей ген должен быть изменен. После выделения ДНК отрезается сегмент, соответствующий качеству, которое мы хотим изменить. Например, если растение томата восприимчиво к вирусным атакам, то его ДНК выделяют, и отрезают сегмент, соответствующий ответу на вирусную атаку.

В этом разделе, в пустом пространстве, добавлен еще один сегмент ДНК, который отвечает за борьбу с вирусной атакой. С помощью склеивания ферментов сегмент прикрепляется к исходной цепи ДНК. Образующаяся таким образом ДНК называется рекомбинантной ДНК. В этот момент его вводят внутрь клеток растения. Эти клетки затем выращиваются в культуре ткани, где они развиваются в новые растения. Мы называем их новыми, потому что эти растения больше не подвержены вирусным атакам!

Формирование рекомбинантной ДНК

Мы следуем аналогичным методам, когда нам необходимо изменить другие неблагоприятные свойства растения. Это относится не только к растениям, но и к животным, созданным с помощью этой техники. Эти животные часто используются в качестве объектов фармацевтических исследований.

Что такое молекулярные ножницы?

Как упоминалось выше, молекулярные ножницы помогают отрывать сегменты ДНК, чтобы манипулировать геномом. С научной точки зрения их называют ферментами рестрикции, потому что они специфичны для определенной последовательности ДНК, известной как место рестрикции. Более 400 из этих ферментов были выделены из бактерий, которые производят их естественным путем. Эти ферменты помогают бактериям защитить себя от любых атакующих вирусов.

Кроме того, функция этих ферментов рестрикции используется в биотехнологических областях для производства резистентности к болезням как у растений, так и у животных. Когда фермент рестрикции разрезает фрагмент ДНК, это приводит к образованию липких концов на сломанной ДНК. Эти липкие концы на самом деле имеют большое значение, учитывая, что чужеродная ДНК должна прикрепляться именно в этом месте.

Процесс резки с помощью ферментов рестрикции

Чужеродная ДНК затем склеивается в это разорванное пространство другим ферментом, называемым ДНК-лигазой. ДНК-лигаза образует связи, которые завершают Сахаро-фосфатный остов правильной молекулы ДНК или нити.

Что такое эндонуклеазы и экзонуклеазы?

Несмотря на то, что в последнее время генная манипуляция вызвала неоднозначный ажиотаж, она оказалась благом для людей, которые всю жизнь боролись с генетическими заболеваниями. Она также оказалась другом фермера благодаря ее применению в сельском хозяйстве. От фармацевтического до промышленного применения, ферменты рестрикции встречаются повсюду. Однако это лишь несколько примеров того, как эти загадочные ферменты могут нам помочь. Поэтому, очевидно, что мы рассматриваем ферменты рестрикции как более важный комплекс, чем обычные ножницы.

Источник

CRISPR для чайников, или Краткая справка по быстрому редактированию ДНК

Возможность изменять фрагменты ДНК всегда была святым Граалем биотехнологии и медицины. CRISPR позволяет делать это с невиданной ранее скоростью и эффективностью. Считайте, что биологи раньше работали на пишущей машинке, а благодаря CRISPR в одночасье пересели на MacBook. Не зря открытие этого метода в 2020 году удостоилось Нобелевской премии по химии.

Резка молекулы ДНК с помощью CRISPR-Cas9 (рис. Джанет Иваса)

Под катом — рассказ о появлении CRISPR, принципах работы и применении в настоящем и будущем. Да, вы все верно поняли, это про редактирование коров, синюю клубнику и арбузы размером со сливу с Aliexpress.

Эта статья — переработанная версия лекции Бориса Климовича, научного сотрудника Университетской клиники Тюбингена и Немецкого центра исследований рака (DKFZ), которая прошла в конце ноября при поддержке Точки кипения ЯрГУ.

Признание к CRISPR пришло в 2012 году — после публикации нобелевской работы. Но, как это обычно бывает в науке, открытие — не личная заслуга пары авторов. В этот раз участников событий было много, и началось все вовсе не с генетики.

Все началось с «грязекопателя»

Аббревиатура CRISPR появилась в конце 80-х в ходе исследований солончаков рядом с испанским городом Аликанте. Аспирант Франсиско Мохика изучал архебактерий, живущих в соленой воде, и наткнулся на странные палиндромные последовательности в их геноме.

Фрагменты длиной около 30 нуклеотидов повторялись много раз и отделялись друг от друга уникальными участками ДНК примерно такой же длины.

Упрощенно обнаруженная структура выглядела так:

На тот момент никто не понимал, зачем нужны эти структуры. Сошлись на том, что они необходимы для некой регуляции (стандартное «объяснение» в биологии, когда ничего не понятно). Структурам сначала дали название SRSR (Short Regularly Spaced Repeats), а потом переименовали в CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Palindromic Repeats).

Продолжив работу в том же направлении, Мохика нашел похожие повторы у многих других бактерий. И эта закономерность привлекла внимание.

В 2002 году рядом с CRISPR-массивами у всех бактерий выявили похожие на них структуры — группу белок-кодирующих генов, которую назвали «очень оригинально» — CAS (CRISPR-Associated Genes).

Продвинуться дальше помог своего рода «генетический Google»: GenBank, куда ученые складируют все прочитанные последовательности ДНК. К началу 2000-х годов там накопилось уже достаточно информации, чтобы при помощи алгоритмов BLAST найти, в каких организмах встречаются похожие CRISPR-последовательности.

GenBank — открытая аннотированная база генетической информации. На июнь 2019 года в ней содержалась информация о 329 млрд пар оснований и 213 млн последовательностей. Источник — American Health Information Management Association

Поиск выявил интересную вещь: фрагменты CRISPR встречаются в ДНК бактериофагов — вирусов, которые инфицируют бактерии и убивают их. Получается, что бактерии хранят внутри себя фрагменты ДНК своих злейших врагов.

Так возникла ключевая догадка о том, что CRISPR — это иммунная память бактерий, сохраняющих информацию о вирусах, которыми болели.

Сформулировав эту теорию, Мохика сел писать статью, которую отправил в самый престижный биологический журнал — Nature. Статью отклонили. Затем он пытался ее пристроить в четыре других журнала, но успеха добился лишь через 18 месяцев.

Кстати, в этом он далеко не рекордсмен. В свое время работу Линн Маргулис, предложившую популярную нынче гипотезу симбиогенеза, отклоняли 15 раз! Можно сказать, что Мохика повезло. Его работу опубликовали быстрее, а идея нашла своих сторонников.

Основная функция CRISPR

Следующий шаг в развитии технологии сделал микробиолог Филипп Хорват. В своей докторской работе он исследовал закваски к эльзасской квашеной капусте, а если точнее — молочнокислые бактерии, которые ее квасят.

С появлением CRISPR закваска капусты стала беспроблемным делом (нет, саму капусту не трогали)

После докторской он ушел в молочную промышленность, где столкнулся с проблемой бактериофагов. Они сильно вредили заквасочным культурам, производители молочных продуктов несли огромные убытки. Ховарт искал способы сделать закваски устойчивыми к бактериофагам и наткнулся на работы о CRISPR. Исследуя эту тему, он доказал, что устойчивые к вирусам бактерии перенимают часть их ДНК.

Бактериальная клетка, которая перенесла инфекцию бактериофагом и не умерла, нарезает его геном на мелкую «вермишель», встраивает в CRISPR-массивы и передает эту информацию своим потомкам, которые становятся устойчивыми к бактериофагу.

Позже компанию, в которой работал Хорват, купила корпорация DuPont. А поскольку она производит примерно 40% заквасок для современной молочной промышленности, вы практически наверняка сталкивались с CRISPR в составе йогуртов, пиццы или сыра.

Работы Хорвата показали, что CRISPR-массивы — это действительно иммунная система бактерий.
Это работает так: кусочки ДНК бактериофагов сохраняются в ДНК бактерий в виде CRISPR-массивов. Затем они превращаются в РНК. В этом же куске генома у бактерий кодируется так называемая тракр-РНК (tracrRNA). Вместе они формируют guideRNA, или наводящую РНК, которая затем объединяется с белком Cas9.
Cas9 — это нуклеаза, фермент, который умеет резать ДНК. При помощи guideRNA этот фермент наводится на специфический сегмент в ДНК бактериофага, садится на него и разрезает, как ножницами, чем нарушает размножение вируса.

Нобелевская статья по редактированию генов

Когда две замечательные женщины-ученые Эммануэль Шарпантье и Дженнифер Даудна встретились на конференции в Коста-Рике, предназначение CRISPR уже было известно. Им пришла в голову смелая идея: приспособить эту систему для резки любой ДНК. Они объединили силы своих лабораторий и в 2012 году в журнале Science опубликовали результаты работы.

Иллюстрация из оригинальной статьи

Им удалось объединить две РНК в одну single guide RNA и показать, что механизм резки работает.

Тут надо пояснить, что резка — это и есть основной этап редактирования ДНК. А CRISPR — генетические ножницы. Все детали ниже.

За эту работу в 2020 году они получили Нобелевскую премию по химии.

Эммануэль Шарпантье и Дженнифер Даудна

Это событие уникально по двум параметрам.

Во-первых, это первая премия, которую получили две женщины без сопровождающей мужской компании.
Во-вторых, эта премия очень «быстрая». С момента публикации до ее присуждения прошло всего восемь лет.

Влияние технологии CRISPR проще всего проиллюстрировать, показав частоту упоминаний этой аббревиатуры в научной литературе, которая после 2012 года растет как на дрожжах.

Число упоминаний CRISPR в научной литературе

Второй показатель — количество патентов.

Эта статистика показывает, насколько все изменилось. Технологии редактирования генома предлагались и ранее, но ни одна из них не достигла такого успеха.

Как происходит редактирование ДНК

Первая нобелевская статья демонстрировала редактирование ДНК в пробирке. Перед учеными стояла амбициозная задача — повторить процесс в клетках человека. Фэн Чжан из MIT оптимизировал процесс, сделав его совместимым с живыми клетками, у которых есть ядра.

Фэн Чжан перенес технологию из пробирки в живые клетки

В 2013 году после публикации работы Чжана эта тема стала доминирующей. Появились сообщения о том, что отредактировали геном человека, мыши, дрожжей, ниматод, дрозофилы, резуховидки Таля, рыбки данио-рерио — всех имеющихся у биологов модельных объектов.

Важно понимать, что ДНК — это очень стабильная молекула. Ее можно кипятить или оставлять лежать в земле на сотни тысяч лет.

Самая старая секвенированная ДНК на сегодняшний день имеет возраст 1,7 млн лет.

Однако молекула ДНК очень чувствительна к разрывам. Если это случается, клетка запускает процесс починки ДНК. Он может идти двумя путями:

Не гомологичный вариант — когда место разрыва устраняется с дефектами. В результате в ДНК может появиться маленькая вставка или произойти потеря фрагмента. Генетический код — это типлеты, то есть три нуклеотида кодируют одну аминокислоту. Если вы вырезали два или вставили четыре нуклеотида, нарушится последовательность, кодирующая белок. Возникнет сдвиг рамки считывания, в результате которого ген фактически перестанет выполнять свою функцию, так как клетка не сможет использовать его информацию, чтобы синтезировать функциональный белок.

Сломать ген можно было и раньше, просто это довольно трудоемко: надо облучать гены радиацией, месяцами искать мутации. Благодаря CRISPR процесс стал гораздо проще.

Гомологичная рекомбинация. У всех животных в клетках как минимум две копии каждой хромосомы. Если возникает разрыв, клетка может использовать вторую хромосому и на ее основании достроить поврежденный участок — скопировать его в поврежденную хромосому. В этой ситуации клетку можно обмануть и подсунуть ей вместо второй хромосомы похожий фрагмент ДНК, но с мутацией. Тогда клетка починит разрыв, встроив в него то, что мы подсунули, — так называемую матрицу.

За счет прицельно вносимого разрыва, который делает CRISPR, появилась возможность очень просто и эффективно заменять фрагменты в геноме — вносить строго определенные мутации и чинить сломанные гены. Но есть проблема: репарация чаще всего проходит по не гомологичному пути. Существуют разные методы, позволяющие сдвинуть процесс в сторону гомологичной репликации, но пока они работают не очень хорошо.

Левая ветвь — не гомологичный вариант замены, приводящий к разрушению гена, правая — успешная починка подходящим фрагментом

Технологии редактирования генома существовали и ранее. Но они требовали сборки так называемых кастомных белков — под заказ. Для каждой операции нужно было собирать новый белок. Это занимало несколько недель и даже месяцев. Стоил каждый такой белок несколько тысяч евро. А CRISPR-реагенты стоят 10‒20 евро — в сотни раз меньше. Стало возможным проводить эксперименты гораздо быстрее и в огромных масштабах. Если вам в воскресенье пришла хорошая идея, то через неделю у вас уже будет клеточная линия с готовой мутацией, — и идею можно будет проверить.

Естественно, это подтолкнуло развитие биотехнологий и промышленности. Появились тысячи компаний, которые пытаются коммерциализировать CRISPR. Параллельно идет патентная война между MIT и Университетом Беркли, где работает Дженнифер Даудна.

Применение CRISPR-Cas9

Что можно сделать с помощью CRISPR? Можно сломать, починить, заменить практически любой ген в геноме. Факт: биологи любят ломать гены, чтобы выяснить, как они работают.

Можно сделать хромосомную перестройку. Это очень важно в онкологии, где ряд заболеваний вызывают хромосомные перестройки.

На следующем этапе технологию улучшили, лишив Cas-нуклеазу активности — сделали ее не режущей. Одновременно «пристегнули» к ней другие ферменты. В итоге она просто садится на строго определенный фрагмент ДНК и может его редактировать, не вызывая повреждений. Например, менять азотистые основания без внесения разрывов в ДНК, что очень важно для биомедицинских задач.

Ученые уже научились активировать или репрессировать работу гена — редактировать эпигеном. Известно, что некоторые гены в организме метилированные, кроме того, существуют специальные белки — гистоны, которые связаны с ДНК. Все это определяет, как ведет себя клетка. CRISPR позволяет влиять и на это.

Редактируем коров, собак и помидоры

Для чего еще используется подобное редактирование? Например, пятна у породы коров сделали из черно-белых серо-белыми. Считается, что так они лучше переносят жару.

Собакам породы бигль добавили мышц. Практический смысл этой, несомненно, большой работы мне неясен. Но работу выполняли китайцы. Возможно, у них свое представление о прекрасном.

Человеческих органов для пересадки всегда не хватает, поэтому пересаживают органы свиней. Но тут есть проблема: у них в геноме присутствует много спящих ретровирусов, которые после пересадки могут активироваться и угрожать здоровью пациента. У свинок на фото эти фрагменты в геноме инактивировали.

Еще пример: с помощью CRISPR отредактировали количество ветвлений на томатной ветке. А также размеры плодов. Все это на фото выше.

Отредактированных растений уже очень много. О масштабах можно судить по количеству публикаций в научных журналах.

Теперь вы знаете, откуда на Aliexpress семена синей клубники, черных помидоров и арбузов размером со сливу

Но в магазинах (по крайней мере в Европе) CRISPR-модифицированных продуктов нет. Это связано исключительно с осторожностью регулятора, на мой взгляд, излишней.

Раньше генетически модифицированные продукты в Европе запрещали, потому что не знали, что произойдет, если эти модифицированные растения попадут в дикую природу. Может быть, если генно-модифицированная кукуруза «ворвется» в леса, там вымрут все березы. Также не знали, как они повлияют на здоровье человека в долгосрочной перспективе, потому что при модификации использовали генетические элементы из других организмов.

CRISPR позволяет вносить мутации, не оставляя следов, поскольку внедряемые РНК и белок в клетке деградируют. От них ничего не остается, сохраняется только сама мутация. Фактически CRISPR делает то же самое, что происходит при селекции. Несмотря на это, суперосторожные регуляторы решили, что разрешать CRISPR пока не стоит.

Например, вывести засухоустойчивые или более продуктивные сорта растений, которые позволят использовать меньше пахотных земель, не применять пестициды или удобрения.

CRISPR в биомедицине

Самый волнующий вопрос — применение CRISPR в биомедицинских исследованиях для улучшения жизни больных людей (а может, и здоровых — в перспективе). Главная сложность тут — в доставке «генетических ножниц» в клетки человека. Допустим, нам нужно починить неработающий ген, который вызывает болезнь. Но чинить его надо в целом органе или даже во всем теле.

К примеру, мутацию, вызывающую диабет, надо чинить во всей поджелудочной железе. Это непросто, потому что клетки прекрасно себя защищают от вторжения чужеродной ДНК. Поэтому исследователи начали с тех вещей, которые можно из человека вынуть, отредактировать в пробирке, затем размножить и вернуть обратно, — с костного мозга и крови.

Здесь показано, как с помощью CRISPR лечат бета-талассемию и серповидноклеточную анемию.

Эти болезни вызваны двумя разными мутациями в гене бета-гемоглобина.

Больным бета-талассемией нужны частые переливания крови. У больных серповидноклеточной анемией эритроциты забивают сосуды. Качество жизни у них низкое, и есть риск ранней смерти.

Что в такой ситуации позволяет сделать CRISPR? У человека есть третий ген гемоглобина — фетальный гемоглобин, который активен только у эмбрионов до рождения. После рождения он выключается, работают взрослые альфа- и бета-гемоглобины. CRISPR позволяет включить ген фетального гемоглобина — выключив ген, который его контролирует.

У двух больных женщин забрали клетки костного мозга и при помощи вируса внедрили в них CRISPR-конструкцию, которая инактивировала ген BCL11A. В этих клетках заработал фетальный гемоглобин. Правильно отредактированные, отселектированные и размноженные клетки вернули пациентам обратно — пересадили им их же костный мозг. После этого пациентке с бета-талассемией, которой нужно было в среднем 16 переливаний крови в год, в течение года не понадобилось ни одной процедуры. То же произошло и с больной серповидноклеточной анемией — их реально вылечили.

Эти работы перешли на следующую стадию клинических испытаний — в ближайшее время этот метод может войти в повсеместную практику.

Следующее направление работы — терапия ВИЧ. Есть люди, которые не заражаются вирусом иммунодефицита человека за счет мутации в гене CCR5 — делеции в 32 нуклеотида. Если у человека обе копии гена мутированы, вирус просто не может проникнуть в их клетки.

У части пациентов на фоне ВИЧ развивается лимфобластный лейкоз (рак крови). Если другие методы терапии не помогают, больным лимфобластным лейкозом часто пересаживают костный мозг. В этом случае взяли костный мозг у донора, который подходил для лечения лейкемии.

Перед пересадкой клетки отредактировали с помощью CRISPR, выключив в них ген CCR5, — повторили мутацию, которая существует в природе. Пересадка вылечила пациента и от лейкоза, и от ВИЧ.

На мой взгляд, это одна из самых ярких демонстраций возможностей CRISPR.

CRISPR и этика

Говоря о ВИЧ, нельзя не вспомнить о самом нашумевшем случае использования CRISPR. Это история 2018 года. Виновник событий — Цзянькуй Хэ, китайский ученый, который провел эксперимент с редактированием человеческих эмбрионов.

За редактирование ДНК человека Цзянькуй Хэ получил три года тюрьмы

Он занимается ЭКО. Получив эмбрионы от пар, где отцы были инфицированы ВИЧ, он попытался с помощью CRISPR выключить в них ген CCR5. В результате эксперимента родилось трое внешне здоровых детей.

Однако произошло лишь частичное редактирование. У одной девочки первая копия гена получилась с 15-нуклеотидной делецией, чего оказалось недостаточно, чтобы ген перестал функционировать. А вторая копия гена — без изменений. В итоге никакой защиты девочка не получила. Со второй девочкой получилось лучше, но ген все равно остался частично функциональным.

Проблема этого эксперимента — в нарушении этических норм и законов. Как выяснилось, Цзянькуй Хэ фальсифицировал разрешение этической комиссии, которая не одобрила это исследование. Во всех странах у нормальных ученых это означает полный запрет, но он его проигнорировал. Кроме того, эксперимент был плохо подготовлен, исследователь не взвесил возможные риски. Редактирование толком не получилось, а последствия этих экспериментов могут проявить себя позже. CRISPR не обладает стопроцентной точностью, он может вносить мутации где-то еще в геноме. И где он их внесет, предсказать сложно.

Если бы все дети с ВИЧ умирали, это меняло бы дело. Но с современными препаратами ВИЧ-инфицированные матери рожают ВИЧ-негативных детей более чем в 90% случаев. Поэтому эксперимент был еще и бессмысленный.

Ни один ученый в мире не сомневался, что технически метод CRISPR позволяет редактировать эмбрионы, то есть научной новизны в этом эксперименте тоже не было. Но это надо было делать с соблюдением всех норм и другим уровнем подготовки. А главное, технология еще недостаточно созрела, чтобы со стопроцентной гарантией отредактировать только нужное место в геноме и ничего не сломать в остальных.

Гражданин Хэ подорвал веру в ученых, получив вал критики, почти полмиллиона долларов штрафа и три года лишения свободы.

Я думаю, до широкой практики редактирования человеческих эмбрионов нам далеко. Но, безусловно, когда-то мы к этому придем, и при помощи CRISPR будут лечить тяжелые наследственные заболевания.

Кому сейчас доступен CRISPR

Поработать с CRISPR могут «не только лишь все»©. В интернете за небольшие деньги можно купить набор, где есть все необходимое.

Некоторые экспериментируют прямо на собственной кухне

Если у вас есть мало-мальски оборудованная лаборатория для простейших молекулярно-биологических экспериментов, начать работать с CRISPR будет легко. И это действительно фантастический инструмент, который невероятно ускорил прогресс биомедицинской науки.

Вся эта история учит нас тому, что даже ковыряясь — буквально — в грязи, можно сделать невероятные открытия. Ну и еще тому, что наука интернациональна.

Нет никакой российской науки, немецкой науки, есть интернациональная наука.

Та же Эммануэль Шарпантье работала сначала в Нью-Йорке, потом в Мемфисе, в Вене, в Швеции, в Ганновере, а прямо сейчас работает в Берлине. Поэтому задача ученого — знать хотя бы один международный язык и пытаться развивать собственную мобильность — двигаться, искать связи и сотрудников, новых коллег. Шарпантье и Даудна встретились на конференции, заинтересовались общей проблемой и в итоге получили Нобелевскую премию. Кто знает, как бы сложилась история CRISPR, не будь этой встречи.

Источник