Разработана технология редактирования ДНК, которая перевернет нашу жизнь
Редакция журнала Time 7 декабря объявила «Человека года». В списке кандидатов на номинацию были ученые, которые разработали новаторскую технологию CRISPR, которая дала возможность редактировать ДНК человека. Ученые редко становятся кандидатами — в большинстве случаев на звание «Человек года» претендуют политики и общественные деятели. Поэтому появление этой группы ученых в списке номинантов уже показатель важности и революционности их технологии.
Активная работа над этим инструментом редактирования ДНК началась еще в 2005 году испанским ученым Франсиско Мохика. При помощи CRISPR ученые сумели создать обезьяну с заданным набором генов, а также в лабораторных условиях предотвратить заражение человеческих клеток ВИЧ.
Но настоящий прорыв произошел в этом году. 28 октября 2016 года группа китайских ученых впервые применила CRISPR для редактирования ДНК человеческих клеток. Генетически-модифицированные клетки были пересажены пациенту с агрессивным раком легкого. В перспективе технологию можно использовать также для лечения генетических заболеваний или для «проектирования» будущего ребенка.
CRISPR является механизмом, который ученые «одолжили» у обычных бактерий. При помощи CRISPR некоторые бактерии защищаются от вирусов.
Так, система CRISPR/Cas9 состоит из двух частей. Одна часть — это адаптивный модуль, который выбирает из чужеродной ДНК вируса фрагменты и вставляет их в определённое место в ДНК бактерии. Вторую часть можно назвать операционной. Она обрабатывает эти уникальные вставки, делает из них короткую РНК и с её помощью атакует исходную, чужеродную ДНК. То есть бактерия использует кусочки ДНК, чтобы находить проникший в неё вирус. «Наводчиком» служит так называемая РНК-гид, которая построена на основе этих кусочков. Она как бы сравнивает последовательности нуклеотидов: «Оно? Нет, не оно, пусть живёт. Ага, а вот это паразит, будем резать!» И белок Cas9 режет в этом самом месте вирусную ДНК на части, спасая бактерию от инфекции и гибели, образно поясняет сотрудник Национального центра биотехнологической информации США, один из ключевых исследователей системы CRISPR Евгений Кунин.
Бактериальная система уничтожает паразитов, но для редактирования генома животных и растений этого недостаточно. Нужно заменить один ген на другой, а не просто уничтожить часть хромосомы. И тут на помощь приходят собственные системы клеток. Специальные ферменты находят разрывы в цепи ДНК и штопают их. Но откуда клетка знает, как штопать? Все просто: ферменты берут за образец целый ген с другой хромосомы и по этому образцу заполняют разрыв.
Это свойство клеток использовали и генетики. Кроме того, можно внести в клетку искусственно созданную «правильную» копию гена, и тогда ферменты могут взять за образец ее. Ученые так и делали — разрезали испорченный ген и вносили ДНК здорового гена. Остальное клетка делала сама. Работа была осуществлена в Китае группой исследователей под руководством Цзюньцзю Хуана из Университета Сунь Ятсена. Статья об этом опубликована в журнале «Protein & Cell».
На сегодня, к сожалению, технология не доработана, и ученые делают много ошибок при ее использовании. Когда китайские ученые пытались вылечить бета-талассемию на уровне эмбрионов (эту болезнь крови вызывает мутация в одном из генов гемоглобина), то у них получилось только в 4 случаях из 86. В других случаях система либо не нашла плохого гена, либо не вставила на его место здоровый. К тому же оказалось, что CRISPR/Cas9 ещё и сделала много ошибок — резала ДНК не в тех местах, где нужно. Понятно, что с такой эффективностью до управления геномом человека ещё далеко. Ни одна будущая мама не согласится на такую рулетку, отмечают авторы научно-популярного сайта kot.sh.
Кроме проблем с точностью CRISPR, существуют многочисленные этические вопросы. Разговоры о том, что эксперименты с человеческими эмбрионами нужно приостановить, появились еще до экспериментов китайских ученых. Научное сообщество оказалась не готовым к такому уровню ответственности. Даже авторы технологии не представляют, как повлияет изменение одного, даже нездорового, гена на целый организм. И что будет с популяцией человека, если мы активно начнем манипулировать собственной генетикой?
Существуют и законодательные ограничения для CRISPR. Во многих странах работы с эмбрионами под запретом. Даже в США запрещено предоставлять государственные гранты на подобные исследования.
Но в любом случае перспективы CRISPR/Cas9 отличные. В ближайшие годы ученые ожидают, что повысится точность CRISPR/Cas9 и уменьшится количество ошибок, что позволит активно использовать технологию в медицине.
Если сейчас, например, при лечении лейкемии используются стволовые клетки донора, то при помощи CRISPR можно будет выделить клетки пациента, отредактировать их и внести опять в организм человека после химиотерапии. Тем самым будет решен вопрос поиска донора.
Активная работа над этим инструментом редактирования ДНК началась еще в 2005 году испанским ученым Франсиско Мохика. При помощи CRISPR ученые сумели создать обезьяну с заданным набором генов, а также в лабораторных условиях предотвратить заражение человеческих клеток ВИЧ.
Но настоящий прорыв произошел в этом году. 28 октября 2016 года группа китайских ученых впервые применила CRISPR для редактирования ДНК человеческих клеток. Генетически-модифицированные клетки были пересажены пациенту с агрессивным раком легкого. В перспективе технологию можно использовать также для лечения генетических заболеваний или для «проектирования» будущего ребенка.
CRISPR является механизмом, который ученые «одолжили» у обычных бактерий. При помощи CRISPR некоторые бактерии защищаются от вирусов.
Так, система CRISPR/Cas9 состоит из двух частей. Одна часть — это адаптивный модуль, который выбирает из чужеродной ДНК вируса фрагменты и вставляет их в определённое место в ДНК бактерии. Вторую часть можно назвать операционной. Она обрабатывает эти уникальные вставки, делает из них короткую РНК и с её помощью атакует исходную, чужеродную ДНК. То есть бактерия использует кусочки ДНК, чтобы находить проникший в неё вирус. «Наводчиком» служит так называемая РНК-гид, которая построена на основе этих кусочков. Она как бы сравнивает последовательности нуклеотидов: «Оно? Нет, не оно, пусть живёт. Ага, а вот это паразит, будем резать!» И белок Cas9 режет в этом самом месте вирусную ДНК на части, спасая бактерию от инфекции и гибели, образно поясняет сотрудник Национального центра биотехнологической информации США, один из ключевых исследователей системы CRISPR Евгений Кунин.
Бактериальная система уничтожает паразитов, но для редактирования генома животных и растений этого недостаточно. Нужно заменить один ген на другой, а не просто уничтожить часть хромосомы. И тут на помощь приходят собственные системы клеток. Специальные ферменты находят разрывы в цепи ДНК и штопают их. Но откуда клетка знает, как штопать? Все просто: ферменты берут за образец целый ген с другой хромосомы и по этому образцу заполняют разрыв.
Это свойство клеток использовали и генетики. Кроме того, можно внести в клетку искусственно созданную «правильную» копию гена, и тогда ферменты могут взять за образец ее. Ученые так и делали — разрезали испорченный ген и вносили ДНК здорового гена. Остальное клетка делала сама. Работа была осуществлена в Китае группой исследователей под руководством Цзюньцзю Хуана из Университета Сунь Ятсена. Статья об этом опубликована в журнале «Protein & Cell».
На сегодня, к сожалению, технология не доработана, и ученые делают много ошибок при ее использовании. Когда китайские ученые пытались вылечить бета-талассемию на уровне эмбрионов (эту болезнь крови вызывает мутация в одном из генов гемоглобина), то у них получилось только в 4 случаях из 86. В других случаях система либо не нашла плохого гена, либо не вставила на его место здоровый. К тому же оказалось, что CRISPR/Cas9 ещё и сделала много ошибок — резала ДНК не в тех местах, где нужно. Понятно, что с такой эффективностью до управления геномом человека ещё далеко. Ни одна будущая мама не согласится на такую рулетку, отмечают авторы научно-популярного сайта kot.sh.
Кроме проблем с точностью CRISPR, существуют многочисленные этические вопросы. Разговоры о том, что эксперименты с человеческими эмбрионами нужно приостановить, появились еще до экспериментов китайских ученых. Научное сообщество оказалась не готовым к такому уровню ответственности. Даже авторы технологии не представляют, как повлияет изменение одного, даже нездорового, гена на целый организм. И что будет с популяцией человека, если мы активно начнем манипулировать собственной генетикой?
Существуют и законодательные ограничения для CRISPR. Во многих странах работы с эмбрионами под запретом. Даже в США запрещено предоставлять государственные гранты на подобные исследования.
Но в любом случае перспективы CRISPR/Cas9 отличные. В ближайшие годы ученые ожидают, что повысится точность CRISPR/Cas9 и уменьшится количество ошибок, что позволит активно использовать технологию в медицине.
Если сейчас, например, при лечении лейкемии используются стволовые клетки донора, то при помощи CRISPR можно будет выделить клетки пациента, отредактировать их и внести опять в организм человека после химиотерапии. Тем самым будет решен вопрос поиска донора.