CRISPR 101: короткий курс про інструмент редагування генів, який змінює світ

Багато хто з вас, мабуть, ніколи не чув про CRISPR і не знає, чому ви повинні бути схвильовані (або, можливо, налякані). Йдеться про передову генну терапію та сплайсинг – і вона дозволяє втілювати фантастичні ідеї в реальність. Пропонуємо вашій увазі короткі відповіді на поширені запитання про науку, що стоїть за CRISPR, і чому світ приділяє їй таку пильну увагу.

Отже, що таке CRISPR і що це означає?

CRISPR відноситься до незвичайних послідовностей ДНК, які допомагають захищати організми, виявляючи загрози – особливо віруси – і атакуючи їх. Назва розшифровується як Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats (кластеризовані регулярно розташовані короткі паліндромні повтори). Так, це звучить трохи смішно, але насправді це дуже точний опис, якщо подивитися на самі послідовності ДНК. Вони згруповані, вони розташовані через чіткі інтервали, і коли їм присвоюються літерні значення, вони дійсно виглядають як короткі паліндроми, що повторюються знову і знову з невеликими варіаціями.

Вперше на CRISPR звернули увагу ще у 1980-х роках, коли вчені вивчали геноми архей та бактерій. Навіть у таких відносно простих геномах біологи (зокрема, Франциско Мохіка) почали помічати дивні послідовності, які, здавалося, повторювалися дуже специфічним чином, з пробілами між ними. Молекулярні біологи були впевнені, що вони мають унікальне призначення, і переважаючою теорією незабаром стала теорія вірусного захисту, яка була остаточно доведена в 2007 році під керівництвом Філіпа Хорвата. Однак лише на початку 2010-х років дослідники почали особливо захоплюватися потенціалом CRISPR.

• SpaceX доставить ці біотехнологічні експерименти на МКС цими вихідними
• Вчені хочуть випробувати на людях генну терапію, яка може допомогти в боротьбі із залежністю
• Редагування генів CRISPR-Cas9 може одного дня “вимкнути” вірус ВІЛ в організмі

То це просто ланцюжок ДНК?

І так, і ні. CRISPR став інструментом для зрощування генів, редагування та взагалі експериментів. Щоб зрозуміти, яким чином, важливо спочатку зрозуміти роль CRISPR в геномах, і як вони працюють для захисту організмів (як правило, як ми вже згадували, бактерій). Справедливим буде порівняння з телеграфом, який передає азбуку Морзе. Кожна послідовність – це повідомлення про іншу атаку, а кожен пробіл – це СТОП, який закінчує це повідомлення. Якщо метафори не для вас, то Гарвард заглиблюється набагато глибше.

Коли організм стикається з новим і небезпечним вірусом, він не знає, як захистити себе або перемогти вірус – він повинен вчитися, так само, як і більшість імунних реакцій. Це може бути складно, тому що віруси атакують ДНК безпосередньо… але це також робить їх певним чином вразливими. Послідовності CRISPR викрадають ключові ділянки ДНК у вірусу і зберігають їх у цих маленьких повідомленнях азбуки Морзе. Коли подібний вірус атакує знову, CRISPR відповідає: “О, ми впізнали його: Ось як його перемогти!” І надсилає відповідне повідомлення азбукою Морзе на поле бою.

Там маленькі солдатики CRISPR, які називаються Cas – ферменти, вироблені спеціально для цієї місії і пронумеровані відповідно до їх призначення, – зв’язуються з вірусною ДНК і розрізають її у найслабшому місці, відповідно до інформації, закодованої у повідомленні. Це вимикає вірус, і дає можливість організму успішно захищатися.

…Гаразд. Чому це знову має значення?

Тому що – і важливість цього важко недооцінити – в той час як CRISPR використовує свою телеграфну систему тільки для захисту від вірусів, вчені зрозуміли, що вони можуть використовувати цей телеграф для передачі чого завгодно. Вимкнути ген? Звичайно (це навіть не обов’язково має бути вірусний ген). Увімкнути ген? Без проблем – просто передайте по телеграфу потрібну інструкцію солдатам ферменту Cas. Зокрема, CRISPR-Cas9 може стати чудовим інструментом для нарізки, рекомбінації та взагалі редагування ДНК, якщо отримуватиме правильні повідомлення.

Протягом багатьох років вчені працювали над способами контролювати Cas9, а згодом розробити маленькі РНК-провідники для солдатів Cas9 і навіть додаткових солдатів під назвою Cpf1, які краще проникають і витягуються без ризику мутації. У порівнянні з цим старі, громіздкі інструменти генної маніпуляції виглядали як кийки печерної людини поруч з хірургічними лазерами. Це стало величезною новиною в науковому співтоваристві, і фактично започаткувало кілька баталій між різними групами і дослідниками про те, хто за що заслуговує.

Поки що все добре. Але чому це така важлива подія у світі технологій?

Тому що ми зараз знаходимося на початку величезного сплеску експериментів з CRISPR. Наші медичні прилади і наукові знання досягли такого рівня, що ми можемо застосувати на практиці все, що ми дізналися про CRISPR, і почати проводити швидкі, ефективні експерименти зі зрощування генів. Для тих, хто зацікавлений у найсучасніших, гідних грандіозних наукових досягненнях, це саме те місце, де вони мають бути.

Справді? Ви хочете сказати, що тепер ми можемо редагувати чиюсь ДНК?

Гарне питання. Ми ще не дійшли до цього, але вже проведено кілька багатообіцяючих експериментів. Була виведена пара мавп зі специфічними змінами генів шляхом цілеспрямованих мутацій з використанням методів CRISPR. Метою було виявити генетичні проблеми ще до народження і вивести з ладу несправні гени, щоб вони не могли завдати шкоди (важливо, що це спрацювало саме з мавпами, а не тільки з мишами). Інші експерименти показали, що цей процес також може бути використаний для безпечної зміни ДНК, щоб протистояти ВІЛ-інфекції.

Однак найбільш захоплюючий експеримент триває в Китаї, де вчені намагаються використовувати методику CRISPR для видалення пошкодженої ДНК з клітин живих, дорослих хворих на рак легенів. До цього проекту прикута велика увага, щоб побачити, наскільки він буде успішним.

Гаразд: Яке майбутнє чекає на CRISPR?

Попереду у нас багато роботи. Варто зазначити, що згадані вище експерименти вимагали тривалого періоду дорогих досліджень і багатьох, багатьох невдалих випадків, перш ніж був досягнутий успіх – і навіть тоді, щоб навчитися точно повторювати ці експерименти, знадобиться серйозна праця і інвестиції.

Але це більше стосується вдосконалення, ніж нових відкриттів: Іншими словами, це лише питання часу, коли ми навчимося використовувати CRISPR достатньо добре, щоб застосувати його в медицині. Коли це почне відбуватися (а це може статися лише через кілька років), багато теоретичних питань, які ми маємо щодо маніпуляцій з генами, немовлят-конструкторів, озброєних організмів, доповнення людини і систем оплати за лікування, стануть набагато більше, ніж теоретичними.

Рекомендації від редакції

• Ця міні-гра Borderlands 3 допоможе скласти карту бактерій у вашому кишечнику
• Редагування генів CRISPR може допомогти зупинити розповсюдження вірусу пташиного грипу
• Забудьте про лікування хвороб, генна інженерія може зберегти наше пиво свіжим довше
• Редагування генів CRISPR допоможе впоратися зі спадковою сліпотою – дослідження в США
• Жити довго і процвітати? Експериментальна сполука може уповільнити процес старіння

Source: digitaltrends.com