Перспективи генної інженерії

Відео: Генна інженерія

Генетична інженерія, за словами вчених, відкриває перед людством великі можливості по знищенню генетичних захворювань і створення організмів, які раніше не існували. Але в той же час все не так просто, і підтвердженням тому є технологія CRISPR / Cas9, яка функціонує зовсім не ідеально. Помилки, які вона допускає, досить рідкісні, але подібних помилок досить і одного, щоб мати для людини фатальні наслідки.

Необхідно відзначити, що система CRISPR / Cas9 є свого роду ДНК-ножицями. Вона цілком справедливо вважається справжнім проривом в області генної інженерії. Вчені з її допомогою мають можливість редагувати геном людини, прибирати з нього мутації і таким чином лікувати смертоносні і неприємні спадкові захворювання. Втім, не слід вважати, що подібні методи не існували раніше. Генетики в своєму арсеналі мали, наприклад, нуклеази, які містили цинкові «пальці», а також ендонуклеази - ферменти, які розвивали молекули ДНК в певних місцях. Але обидва цих методу істотно поступаються по універсальності, точності і вартості системі CRISPR / Cas9, хоча і вона далека від досконалості.

Відео: Методи генної інженерії !!! 2017

Спочатку дана система була створена не вченими, а самою природою. Це механізм, який на молекулярному рівні існує всередині бактерій і який дозволяє їм боротися в паразитами, зокрема, бактеріофагами. Таким чином, він фактично працює як імунітет проти інфекцій. CRISPR - це певні ділянки ДНК, в яких містяться фрагменти ДНК-вірусів, раніше які заразили предків бактерій, існуючих сьогодні, але переможених внутрішньої захистом цих бактерій. Дані фрагменти звуться спейсери. Вони поділяються між собою, що повторюються.

Після проникнення бактеріофага всередину бактерії, все повторювані послідовності і спейсер, який до них примикає, використовуються кА шаблон для синтезу молекул crРНК. Таким чином відбувається утворення безлічі різних ланцюжків РНК, які пов`язані з білком Cas9, завдання якого полягає в тому, щоб розрізати ДНК вірусу. Але зробити це білок зможе тільки після того, як crРНК відшукає фрагмент вірусної ДНК, який їй відповідає. Після того, як чужорідна нуклеїнова кислота розривається Cas9, вона знищується іншими нуклеазами.

Перевага CRISPR / Cas9 полягає саме в її точності, оскільки правильна робота імунітету для бактерій - це життєво важливе питання. «Антивірусна» система повинна відшукати серед мільйона клітин ДНК вірусний ділянку, і при цьому не переплутати його зі своїм власним геномом. Бактерії за мільйони років свого існування довели цей механізм до досконалості. Саме тому дослідники, як тільки визначили, навіщо потрібна система CRISPR / Cas9, прийшли до висновку про те, що її можна використовувати в якості точного редактора генів.

Для заміни в геномі одного специфічного ділянки іншим, потрібно синтезувати направляючу РНК, за принципом своєї дії аналогічної crРНК. Ця РНК вказує білку Cas9, в якому місці ДНК необхідно розірвати два ланцюжки модифікується організму. Але необхідно враховувати, що ген потрібно не зіпсувати, а лише модифікувати його, зокрема, прибрати мутацію або замінити нуклеотиди. І знову допомагає природа. Природні процеси відновлення відразу ж починають регенерувати перервану ланцюжок. При цьому деякі фрагменти РНК, які розташовані поруч з розривом, видаляються, і на їх місце вставляються схожі послідовності. Вчені можуть вставити на їх місце власні послідовності ДНК і змінити геном.

Але нічого ідеального не існує. Система CRISPR / Cas9, незважаючи на досить високу точність, се ж іноді робить помилки. Одна причина криється в самій системі. Бактерії не потрібно, щоб фрагмент вірусної ДНК на 100 відсотків збігався з crРНК. Бактерії необхідно, щоб деякі нуклеотиди відрізнялися. Таким чином мікроорганізм отримує більше шансів побороти інфекції. Але в генній інженерії наслідки можуть бути набагато серйозніше - зміни можна внести в ті місця, де це не потрібно. Якщо подібне станеться в процесі експериментів на мишах, нічого страшного не станеться, але якщо подібна помилка трапиться в процесі редагування людського генома, це може обернутися справжньою трагедією.

Таким чином, абсолютно не видається дивною заклопотаність західних фахівців дослідженнями, що проводяться в Китаї. Азіатські вчені за допомогою системи CRISPR / Cas9 пустили в хід генні модифікації людського ембріона. На території Європи і Сполучених Штатів Америки подібні експерименти були заборонені, але відносно недавно їх разрешіла- виключно в дослідницьких цілях - Великобританія. Передбачається, що подібні ембріони повинні знищуватися через кілька тижнів після отримання, щоб виключити ризик виведення генетично модифікованих людей.

За словами вчених, система CRISPR / Cas9 не була б такою гарною, якби її неможливо було модернізувати, поліпшити. Так, зокрема, дослідники «навчили» білок Cas9 розрізати тільки один ланцюжок, а не дві відразу. Розріз проводиться на різних ланцюгах в двох місцях послідовності ДНК, тому система може розпізнати в два рази більше нуклеотидів, що робить її більш точною.

Вченими з університету Західного Онтаріо був виявлений ще один спосіб удосконалення даної технології. Дослідники спробували знайти рішення проблеми відновлення розрізаної ДНК: через швидке відновлення нуклеїнової ланцюжка вчені просто не встигали внести власні виправлення в геном. Таким чином, знову доводиться використовувати білок Cas9, щоб виправити ланцюжок ДНК.

З метою запобігання подібній ситуації вчені вдосконалили «білкові ножиці», сформувавши білок TevCas9, який розрізаний ДНК-ланцюжок в двох місцях, ускладнюючи тим самим відновлення ділянки. Щоб синтезувати новий фермент, в білок Cas9 був доданий фермент I-Tevl, що є також ендонуклеази - білком, який розщеплює молекулу ДНК в середині. Гібридний білок, який вийшов в результаті дослідження, виявився точнішим в зв`язуванні зі схожими ділянками і може помилятися і розрізати ланцюжок не в тому місці з меншою ймовірністю.
Вчені говорять про те, що підвищувати точність системи CRISPR можна і іншими способами. Протистояння між вірусами і бактеріями призвело до того, що у мікроорганізмів не тільки виробилися захисні системи, а й з`явилися способи їх знешкодження. Бактеріофаги мутують дуже швидко після того, як видаляються ділянки, за якими їх розпізнає бактеріальний імунітет. У той же час, деякі з них здатні заважати роботі комплексу білка Cas9 і crРНК, кодуючи анти- CRISPR-білки.

На початку грудня в одному з видань була опублікована стаття дослідників з Торонтського університету, в якій йдеться про створення анти- CRISPR - системи, що дозволяє при певних умовах вимикати механізм. Вона дає можливість запобігти можливим помилкам шляхом придушення білка Cas9 в разі зв`язку направляє РНК не з тим ферментом. Складається така анти- CRISPR з тих білків, які кодуються генами одного з бактеріальних вірусів і пригнічують нуклеазу.

В даний час технологія CRISPR застосовується при лікуванні таких серйозних захворювань, як рак легенів і лейкоз. Крім цього, технологію відчувають для очищення від ВІЛ імунних клітин. Чим більше вченим вдасться відшукати нових способів модернізації цього методу, тим більше можливостей його застосування у них з`явиться.