Учените имат големи надежди за технологията CRISPR / Cas9, която позволява високоточни промени в геномите на живите организми, включително хората. Публикуват се всички нови научни статии, описващи различни видове системи CRISPR, както и техните модификации. "Lenta.ru" разказва за откритията в тази област, направени през 2016 година.
Хиляди от тях
CRISPR / Cas9 е бактериална адаптивна имунитетна система, която позволява на микроорганизмите да се борят с вирусите. Състои се от дистанционни елементи - ДНК секции, съответстващи на определени фрагменти (протоспайсери) от ДНК на инфекциозния агент. Разделителите кодират специфични молекули crRNA, които се свързват с ензима Cas9. Полученият комплекс се прикрепя към ДНК веригата на вируса и Cas9 работи като чифт ножица, като го реже.
Всъщност CRISPR / Cas9 е само една от много подобни системи, които имат бактериите и археите. Учените ги разделят на два класа. Първият клас включва CRISPR системи от тип I, III и IV, а вторият - II и V. Тип II съдържа протеина Cas9, участващ в придобиването на нови спейсери, натрупването на crRNA в клетката и разцепването на ДНК. В други системи за тези цели се използват многопротеинови комплекси. Това прави тип II най-простият тип система CRISPR, подходяща за нуждите на генното инженерство.
Типовете от своя страна могат да бъдат подразделени на подтипове в зависимост от това кои допълнителни гени са свързани с CRISPR. Например, IIA системите съдържат гена csn2, който кодира протеин, който се свързва с ДНК и участва в придобиването на дистанционни елементи. В IIB системите csn2 отсъства, но има ген cas4, чиято функция все още е неизвестна, а IIC системите нямат нито csn2, нито cas4.
Съкровища вътре в бактериите
Промоционално видео:
Всички известни системи CRISPR са открити от учени при бактерии, отглеждани в лабораторни условия. Има обаче огромен брой некултивирани микроорганизми, които включват както археи, така и бактерии. Обикновено живеят в екстремни условия - минерални извори или токсични водни басейни в изоставени мини. Изследователите обаче могат да изолират ДНК от тях и да идентифицират специфични региони в нея. В нова статия, публикувана в Nature на 22 декември, генетиците от Калифорнийския университет в Бъркли са декодирали геноми от естествени микробни съобщества, откривайки други вариации на системата CRISPR.
Бактериофаг - вирус, който заразява бактериите
Изображение: Giovanni Cancemi / Depositphotos
Учените успяха да открият, че някои видове малко изучени археподобни наноорганизми ARMAN притежават и CRISPR / Cas9, въпреки че преди се смяташе, че ги имат само бактерии. Отбелязва се, че тази система заема междинно място между подтипове IIC и IIB и може да служи като защита срещу паразитни „скачащи“гени (транспозони), попадащи в микроорганизма от други археи. Опитът да се възпроизведе активността на археални CRISPR / Cas9 в Е. coli (Escherichia coli) не доведе до нищо, което показва съществуването на някои допълнителни специфични механизми, регулиращи системата.
Нови видове системи от втория клас, CRISPR / CasX и CRISPR / CasY, също бяха идентифицирани от бактерии, живеещи в подпочвените води и утайките. Системата CRISPR / CasX включва протеини Cas1, Cas2, Cas4 и CasX. Последният, както е показано от експерименти върху Е. coli, се отличава с нуклеазна активност, тоест той е способен да разцепва чужда ДНК като Cas9. Това обаче се случва само ако TTCN последователността е пред протопространства, където N е някой от четирите нуклеотида. Такива последователности се наричат PAM (protospacer съседен мотив - мотив, съседен на protospacer). Системата CRISPR / Cas9 разполага и със собствен PAM - NGG, който трябва да се намира след протопространството. В допълнение, CRISPR / CasY е в състояние да изреже ДНК, ако има TA PAM последователност в близост до целевото място.
Какво е обещанието на това откритие? Факт е, че откритите системи са най-компактните известни в момента. Според учените, малкото количество протеини, необходимо за тяхната работа, прави CRISPR / CasX и CRISPR / CasY удобни инструменти за редактиране на ДНК. Нещо повече, метагеномните изследвания, при които се изследва ДНК, получена от околната среда, ще разкрият други видове CRISPR системи, които са полезни за генното инженерство.
Пътят към върхови постижения
Разбира се, има алтернатива на търсенето на системи CRISPR в природата - подобряването на вече съществуващата технология CRISPR / Cas9. Въпреки високата си точност, тя допуска грешки, като реже ДНК на грешното място. Това затруднява правилните промени в гените и следователно ефективно лечение на наследствени заболявания. Ето защо учените търсят начини за подобряване на ефективността на системата. През 2016 г. има много научни статии, посветени на модифицирането на CRISPR и превръщането му в различни генни инструменти.
Протеин Cas9 и crRNA - основните компоненти на системата CRISPR
Изображение: Стив Диксън / Фън Джанг / MIT
И така, на 8 декември списание Cell публикува статия на учени от университета в Торонто, които създадоха „анти-CRISPR“- система, която изключва механизма при определени условия. Това ви позволява да потискате активността на Cas9, ако РНК-водачът се свързва с грешен фрагмент и предотвратява грешки. Anti-CRISPR се състои от три инхибиращи нуклеазата протеини. Естествено, първоначално той не е изобретен от учени, а от вируси, които по този начин неутрализират имунитета на бактериите.
През юни американски изследователи, заедно с колеги от Русия, потвърдиха, че системата CRISPR / C2c2, получена от fusobacterium Leptotrichia shahii, е способна да разцепва едноверижна РНК. В резултат на това системата CRISPR може да се използва за избиване - потискане на функциите - на пратеника РНК, който пренася информация от гени до рибозоми, където на негова основа се синтезират протеини.
През май изследователи от Калифорнийския университет създадоха CRISPR-EZ, технология, която позволява с почти 100% успех да се вмъкват нови ДНК молекули в геномите на миши ембриони. Системата CRISPR / Cas9 се инжектира в оплодени яйца от животни с помощта на микроскопична игла и малък електрически разряд. В своя експеримент учените успяха да въведат мутация в ген при 88 процента от мишките. Това надвишава броя на генетично модифицирани мишки, произведени чрез CRISPR редактиране, което използва конвенционални инжекции.
През април, използвайки мутантния вариант на Cas9, който няма нуклеазна активност, молекулярните биолози от Медицинския университет в Масачузетс разработиха технологията CRISPRainbow. Ръководството РНК, което показва къде се прикрепят ензимите, съдържа флуоресцентни етикети, което прави възможно например проследяването на движението на мобилните генетични елементи.
Комарът Anopheles може да е първата жертва на системите CRISPR
Снимка: Джим Гатани / Уикипедия
Смел нов свят
Учените вече използват системи CRISPR за създаване на генетично модифицирани организми, като маларийни комари, които разпространяват вредни гени сред своите диви роднини. Този метод се нарича генно задвижване. Ако един от родителите на даден индивид е носител на мутантния ген, той ще го предаде на своето потомство с 50 процента вероятност. Това е така, защото родителят има две копия на гена и само едно от тях е дефектно. CRISPR е в състояние да копира мутантния фрагмент и да го вмъкне в здрав ген. В резултат на това потомството получава мутация със 100% вероятност.
През 2016 г. експерти от Консултативния комитет по рекомбинантна ДНК (RAC) одобриха заявление от университета в Пенсилвания за провеждане на тестове за генетична модификация на човека с помощта на технологията CRISPR / Cas9.
Те обаче бяха изпреварени от китайците. През ноември списание Nature съобщава, че китайските учени за първи път са въвели клетки с гени, модифицирани от системата CRISPR / Cas9 на хората. Изследователите извличат имунни клетки (Т лимфоцити) от кръвта на пациент с метастатичен рак на белия дроб и след това използват технологията CRISPR, за да изключат гена, който кодира протеина PD-1. Доказано е, че последният потиска имунитета, като насърчава растежа на тумора. Учените са култивирали редактираните клетки, увеличавайки техния брой и след това ги инжектирали обратно в човешкото тяло. Дали генната терапия ще се справи с болестта, предстои да разберем.
Системите CRISPR могат да се използват и за борба с ХИВ и наследствените заболявания на хората. Необходими са обаче допълнителни изследвания за разработване на ефективни лечения. Разбира се, не говорим за мутанти, както в научно-фантастичните филми, но учените ще могат бързо да създават генетично модифицирани организми, като селскостопански растения с устойчивост на паразити. Остава да разберем защо учените, които са открили CRISPR и са измислили как може да се използва, все още не са получили Нобелова награда.
Александър Еникеев
