В человеке все должно быть прекрасно: и одежда, и мысли, и гены. А поможет этому заимствованная у бактерий система CRISPR/Cas9.
В прошлом году исследователи из Китая впервые отредактировали ДНК эмбриона человека, недавно подобные опыты разрешили в Великобритании. И хотя о создании ГМ-детей речи пока не идет — такие эмбрионы потенциальным матерям не имплантируют, — уже ясно, что технологический прогресс в генной модификации человека не остановить. Когда-нибудь и это будет сделано.
Для редактирования ДНК человеческих эмбрионов ученые из Китая использовали сравнительно молодой метод CRISPR/Cas9, за который когда-нибудь непременно дадут Нобелевскую премию. Как и большинство методов генной инженерии, он использует «природные» механизмы, появившиеся в ходе биологической эволюции. Молекулы CRISPR/Cas9 были позаимствованы у бактерий, а метод, обещающий изменить ход развития нашей цивилизации, был найден случайно, при усовершенствовании технологий производства йогурта.
читать дальшеДжинн из баночки
В 2007 году в журнале Science появилась публикация группы ученых из компании Danisco (производителя йогуртов «Данон», изучавших здоровье бактерий Streptococcus thermophilus, которые используются в кисломолочной закваске. Исследователи обнаружили, что способность стрептококков противостоять вирусной инфекции определяется странными фрагментами бактериального генома со сложным названием CRISPR.
Эти фрагменты были замечены еще в 2000 году, когда испанские биологи обратили внимание на загадочное скопление похожих друг на друга, повторяющихся последовательностей нуклеотидов в ДНК некоторых бактерий. Между ними, как в рамках, находились короткие участки уникальной ДНК. Эти расположенные регулярными группами палиндромные повторы и называются CRISPR, а вся генетическая конструкция — CRISPR-кассета. Вскоре обнаружилось, что главное содержимое CRISPR-кассет — уникальные последовательности ДНК — являются фрагментами вирусных генов, которые бактерии самостоятельно встраивают в свой геном. Появилась гипотеза о том, что CRISPR-кассета участвует в противовирусном иммунитете бактерии.
Представьте себе компьютерный антивирус: у него есть база данных, в которой хранятся фрагменты вредоносных программ и с которой он сверяется, сканируя файлы. Представьте себе полицейского, который ищет преступника, сравнивая отпечатки его пальцев со снимками в картотеке. Тот же подход работает и с CRISPR-кассетами: это база данных вирусных генов. Она отражает «эволюционную память» бактерий о тех вирусах, с которыми ранее сталкивались их предки. Используя ее, клетка способна распознавать известные ей вирусы и запускать их уничтожение.
Участие CRISPR в работе бактериального иммунитета и подтвердили создатели йогуртов, а в 2012 году биологи установили, что «рабочей лошадкой» этого механизма выступает белок Cas9, фермент, который распознает ДНК вирусов и разрезает ее, полностью выводя из строя. Для этого Cas9 использует «шаблон», короткую направляющую молекулу РНК, которая считывается с последовательностей, сохраненных в CRISPR-кассете.
Семейная библиотека
Спейсеры — варьирующиеся фрагменты ДНК, заключенные между повторяющимися одинаковыми последовательностями CRISPR, — составляют «иммунологическую память» бактериальной клетки. Новые фрагменты добавляются обычно с одного конца CRISPR-кассеты, и один из повторов дублируется, сохраняя «рамки», между которыми помещаются спейсеры. Но в остальном все происходит довольно хаотически: встретившись с новым, незнакомым вирусом, зараженные бактерии пытаются лихорадочно резать любую чужую ДНК и вставлять случайные фрагменты в свой геном. Лишь избранным счастливчикам повезет, и у них CRISPR-кассета пополнится нужным участком вирусной ДНК. Однако он послужит основой для синтеза направляющей РНК и работы Cas-белков, поможет бактерии справиться с атакой — и будет передан по наследству. Такие «антивирусные библиотеки» накапливаются в бактериях поколениями и могут использоваться для идентификации штаммов и определения очага инфекции в эпидемиологии.
От йогурта до эмбриона
Появившаяся вскоре программная статья «РНК-программируемое редактирование генома клеток человека» открыла новую эпоху в генной инженерии. Оказалось, что белку Cas9 легко подсунуть новую, заранее спроектированную направляющую РНК, нацелив его на разрезание практически любой заданной последовательности ДНК. А уж если мы сумели делать точный разрез в строго определенном месте генома, то остается лишь вставить в него нужный ген.
Ничего лишнего для этого не понадобится: встраивание произведет сама клетка. Для нее появление разрывов в ДНК — серьезная опасность, поэтому за ее целостностью следит целая группа специальных белков, быстро устраняющих все повреждения. Можно подобрать условия так, чтобы клетка не просто «заклеила» дырку, а достроила ее некоторым предложенным ей геном. В результате за последние годы технологии CRISPR/Cas9 — а вместе с ними и вся генная инженерия — переживает бурный подъем, который можно сравнить разве что с первыми годами космонавтики. Метод с успехом используется для редактирования ДНК разнообразных организмов и продолжает быстро совершенствоваться.
Китайские ученые, взявшиеся редактировать ДНК человеческих эмбрионов и заменить в них поврежденный ген бета-цепи глобина, который приводит к развитию ряда генетических заболеваний, отметили, что точность системы еще недостаточно велика. Из 86 зигот — эмбрионов на самых ранних стадиях развития — процедуру пережили 71, из них 54 оказались пригодны для исследования, но только у 28 Cas9 четко справился с задачей, и лишь у четырех поврежденный ген благополучно заменился на здоровый. И раз уж мы не можем допустить, чтобы рождались дети-инвалиды с мутациями, случайно внесенными технологией, то до начала применения в медицине CRISPR/Cas9 придется серьезно доработать.
К счастью, с момента, когда китайские ученые начали свое исследование по генной инженерии эмбрионов, наука сильно шагнула вперед, и точность редактирования ДНК с использованием CRISPR/Cas9 выросла на порядки. Уже в 2016 году в журнале Nature появилось сообщение о разработке нового варианта Cas9, усовершенствованного белка SpCas9-HF1, который уже совсем не делает ошибок или делает их так мало, что обнаружить их современными методами анализа ДНК затруднительно. В самом деле, идеальной точности редактирования добиться вряд ли возможно — да и не нужно. Достаточно добраться до уровня, при котором метод будет создавать не больше случайных мутаций, чем при обычном клеточном делении.
Умение все портить
Направляющая РНК системы CRISPR/Cas9 распознает участок ДНК длиной примерно 20 нуклеотидов. Разумеется, что у человека с геномом в три миллиарда нуклеотидов найдется немало таких или очень похожих фрагментов, в которых будут сделаны неверные разрезы. Стараясь исключить такие ситуации, генетики прибегают к удивительным ухищрениям — например, предлагается… «испортить» белок Cas9. Такие ферменты неспособны разрезать две цепочки ДНК, но только одну из двух, и повреждение будет легко исправлено клеткой. Зато вместе, ориентируясь на разные направляющие РНК, два таких белка смогут разрезать сразу обе нити двойной спирали — и подготовить место для вставки нужного гена.
Ювелирная работа
Точность CRISPR/Cas9 делает метод самым перспективным в генной инженерии.
1. Сельское хозяйство. Технология облегчит создание новых, высокопроизводительных и безопасных сортов растений и сельскохозяйственных животных.
2. Эпидемии инфекций. «Исправленные» гены могут быстро распространяться в популяции, обещая избавление от некоторых болезней, таких как малярия.
3. Генная терапия. Метод позволит лечить не только генетические заболевания: уже показана его способность полностью удалять гены ВИЧ из зараженных лимфоцитов.
4. Новые люди. Осторожная модификация половых клеток и эмбрионов позволит получать новые поколения людей — более здоровые, чем наше.
Дети завтрашнего дня
Скоро мы научимся редактировать ДНК с достаточной точностью, чтобы сделать практичным разумное применение генной инженерии в медицине. Так, до сих пор не существует средств полного избавления человека от вируса иммунодефицита (ВИЧ). Существующие антиретровирусные средства способны лишь удерживать его «в узде», однако вирусная ДНК, встроившаяся прямо в хромосомы зараженных лимфоцитов, остается в них навсегда. И лишь недавно была показана возможность, используя CRISPR/Cas9, направленно и точно вырезать встроенные ДНК-копии вируса.
С развитием знаний о нашей генетике в будущем можно будет устранять даже малые генетические дефекты, задавать желаемый цвет глаз или волос, улучшать физические и умственные способности человека. А можно придать совершенно новое измерение его иммунитету. В самом деле, уже озвучены идеи частичной «пересадки» системы бактериального иммунитета другим организмам, в том числе и людям. Уже в 2015 году журнал Genome Biology опубликовал статью, авторы которой перенесли этот механизм в растение, обеспечив его защитой от некоторых вирусов. Теоретически мы можем обучить наши клетки уничтожать наследственную информацию любого известного вируса — или создавать людей, от рождения устойчивых ко многим вирусным заболеваниям.
Еще одно важное применение технологии CRISPR/Cas9 — генная терапия, позволяющая лечить наследственные заболевания у взрослых организмов. У лабораторных мышей она уже позволила вылечить наследственную форму мышечной дистрофии. С помощью генной терапии можно вылечить и рак, подсаживая больным модифицированные клетки иммунной системы, способные распознавать маркеры некоторых злокачественных опухолей. Уже есть и первые пациенты, победившие рак благодаря этой экспериментальной процедуре.
Исправление до рождения
В 2015 году американские генетики продемонстрировали способности системы CRISPR/Cas9 редактировать ДНК сперматозоидов крыс. Если эту технологию удастся перенести на людей, можно будет создавать генетически модифицированное потомство, не вмешиваясь в развитие эмбрионов и избавившись от множества этических проблем. Ошибки генома, способные привести к развитию тяжелейших болезней, могут быть исправлены еще до зачатия. Развитие генетической инженерии выглядит живой иллюстрацией принципов «автоэволюции», о которой писал Станислав Лем. Автоэволюция — это когда жестокий движущий фактор эволюции, естественный отбор, устраняющий неприспособленные особи, постепенно заменяется на «разумный замысел», при котором организмы улучшаются сами. Без лишних жертв, при жизни. Мы живем в мире стремительных изменений — но самое удивительное, что скоро так же быстро начнем меняться и мы. Можно начинать готовиться.
Эту статью я написал для Популярной Механики. Источник: http://www.popmech.ru/science/237877-kak-cheloveka-ispravlyayut-s-pomoshchyu-genov-bakteriy-podrobno-o-slozhnom/
Подробнее про передовые биотехнологии можно почитать в моей книге «Сумма Биотехнологии. Руководство по борьбе с мифами о генетической модификации растений, животных и людей».
В прошлом году исследователи из Китая впервые отредактировали ДНК эмбриона человека, недавно подобные опыты разрешили в Великобритании. И хотя о создании ГМ-детей речи пока не идет — такие эмбрионы потенциальным матерям не имплантируют, — уже ясно, что технологический прогресс в генной модификации человека не остановить. Когда-нибудь и это будет сделано.
Для редактирования ДНК человеческих эмбрионов ученые из Китая использовали сравнительно молодой метод CRISPR/Cas9, за который когда-нибудь непременно дадут Нобелевскую премию. Как и большинство методов генной инженерии, он использует «природные» механизмы, появившиеся в ходе биологической эволюции. Молекулы CRISPR/Cas9 были позаимствованы у бактерий, а метод, обещающий изменить ход развития нашей цивилизации, был найден случайно, при усовершенствовании технологий производства йогурта.
читать дальшеДжинн из баночки
В 2007 году в журнале Science появилась публикация группы ученых из компании Danisco (производителя йогуртов «Данон», изучавших здоровье бактерий Streptococcus thermophilus, которые используются в кисломолочной закваске. Исследователи обнаружили, что способность стрептококков противостоять вирусной инфекции определяется странными фрагментами бактериального генома со сложным названием CRISPR.
Эти фрагменты были замечены еще в 2000 году, когда испанские биологи обратили внимание на загадочное скопление похожих друг на друга, повторяющихся последовательностей нуклеотидов в ДНК некоторых бактерий. Между ними, как в рамках, находились короткие участки уникальной ДНК. Эти расположенные регулярными группами палиндромные повторы и называются CRISPR, а вся генетическая конструкция — CRISPR-кассета. Вскоре обнаружилось, что главное содержимое CRISPR-кассет — уникальные последовательности ДНК — являются фрагментами вирусных генов, которые бактерии самостоятельно встраивают в свой геном. Появилась гипотеза о том, что CRISPR-кассета участвует в противовирусном иммунитете бактерии.
Представьте себе компьютерный антивирус: у него есть база данных, в которой хранятся фрагменты вредоносных программ и с которой он сверяется, сканируя файлы. Представьте себе полицейского, который ищет преступника, сравнивая отпечатки его пальцев со снимками в картотеке. Тот же подход работает и с CRISPR-кассетами: это база данных вирусных генов. Она отражает «эволюционную память» бактерий о тех вирусах, с которыми ранее сталкивались их предки. Используя ее, клетка способна распознавать известные ей вирусы и запускать их уничтожение.
Участие CRISPR в работе бактериального иммунитета и подтвердили создатели йогуртов, а в 2012 году биологи установили, что «рабочей лошадкой» этого механизма выступает белок Cas9, фермент, который распознает ДНК вирусов и разрезает ее, полностью выводя из строя. Для этого Cas9 использует «шаблон», короткую направляющую молекулу РНК, которая считывается с последовательностей, сохраненных в CRISPR-кассете.
Семейная библиотека
Спейсеры — варьирующиеся фрагменты ДНК, заключенные между повторяющимися одинаковыми последовательностями CRISPR, — составляют «иммунологическую память» бактериальной клетки. Новые фрагменты добавляются обычно с одного конца CRISPR-кассеты, и один из повторов дублируется, сохраняя «рамки», между которыми помещаются спейсеры. Но в остальном все происходит довольно хаотически: встретившись с новым, незнакомым вирусом, зараженные бактерии пытаются лихорадочно резать любую чужую ДНК и вставлять случайные фрагменты в свой геном. Лишь избранным счастливчикам повезет, и у них CRISPR-кассета пополнится нужным участком вирусной ДНК. Однако он послужит основой для синтеза направляющей РНК и работы Cas-белков, поможет бактерии справиться с атакой — и будет передан по наследству. Такие «антивирусные библиотеки» накапливаются в бактериях поколениями и могут использоваться для идентификации штаммов и определения очага инфекции в эпидемиологии.
От йогурта до эмбриона
Появившаяся вскоре программная статья «РНК-программируемое редактирование генома клеток человека» открыла новую эпоху в генной инженерии. Оказалось, что белку Cas9 легко подсунуть новую, заранее спроектированную направляющую РНК, нацелив его на разрезание практически любой заданной последовательности ДНК. А уж если мы сумели делать точный разрез в строго определенном месте генома, то остается лишь вставить в него нужный ген.
Ничего лишнего для этого не понадобится: встраивание произведет сама клетка. Для нее появление разрывов в ДНК — серьезная опасность, поэтому за ее целостностью следит целая группа специальных белков, быстро устраняющих все повреждения. Можно подобрать условия так, чтобы клетка не просто «заклеила» дырку, а достроила ее некоторым предложенным ей геном. В результате за последние годы технологии CRISPR/Cas9 — а вместе с ними и вся генная инженерия — переживает бурный подъем, который можно сравнить разве что с первыми годами космонавтики. Метод с успехом используется для редактирования ДНК разнообразных организмов и продолжает быстро совершенствоваться.
Китайские ученые, взявшиеся редактировать ДНК человеческих эмбрионов и заменить в них поврежденный ген бета-цепи глобина, который приводит к развитию ряда генетических заболеваний, отметили, что точность системы еще недостаточно велика. Из 86 зигот — эмбрионов на самых ранних стадиях развития — процедуру пережили 71, из них 54 оказались пригодны для исследования, но только у 28 Cas9 четко справился с задачей, и лишь у четырех поврежденный ген благополучно заменился на здоровый. И раз уж мы не можем допустить, чтобы рождались дети-инвалиды с мутациями, случайно внесенными технологией, то до начала применения в медицине CRISPR/Cas9 придется серьезно доработать.
К счастью, с момента, когда китайские ученые начали свое исследование по генной инженерии эмбрионов, наука сильно шагнула вперед, и точность редактирования ДНК с использованием CRISPR/Cas9 выросла на порядки. Уже в 2016 году в журнале Nature появилось сообщение о разработке нового варианта Cas9, усовершенствованного белка SpCas9-HF1, который уже совсем не делает ошибок или делает их так мало, что обнаружить их современными методами анализа ДНК затруднительно. В самом деле, идеальной точности редактирования добиться вряд ли возможно — да и не нужно. Достаточно добраться до уровня, при котором метод будет создавать не больше случайных мутаций, чем при обычном клеточном делении.
Умение все портить
Направляющая РНК системы CRISPR/Cas9 распознает участок ДНК длиной примерно 20 нуклеотидов. Разумеется, что у человека с геномом в три миллиарда нуклеотидов найдется немало таких или очень похожих фрагментов, в которых будут сделаны неверные разрезы. Стараясь исключить такие ситуации, генетики прибегают к удивительным ухищрениям — например, предлагается… «испортить» белок Cas9. Такие ферменты неспособны разрезать две цепочки ДНК, но только одну из двух, и повреждение будет легко исправлено клеткой. Зато вместе, ориентируясь на разные направляющие РНК, два таких белка смогут разрезать сразу обе нити двойной спирали — и подготовить место для вставки нужного гена.
Ювелирная работа
Точность CRISPR/Cas9 делает метод самым перспективным в генной инженерии.
1. Сельское хозяйство. Технология облегчит создание новых, высокопроизводительных и безопасных сортов растений и сельскохозяйственных животных.
2. Эпидемии инфекций. «Исправленные» гены могут быстро распространяться в популяции, обещая избавление от некоторых болезней, таких как малярия.
3. Генная терапия. Метод позволит лечить не только генетические заболевания: уже показана его способность полностью удалять гены ВИЧ из зараженных лимфоцитов.
4. Новые люди. Осторожная модификация половых клеток и эмбрионов позволит получать новые поколения людей — более здоровые, чем наше.
Дети завтрашнего дня
Скоро мы научимся редактировать ДНК с достаточной точностью, чтобы сделать практичным разумное применение генной инженерии в медицине. Так, до сих пор не существует средств полного избавления человека от вируса иммунодефицита (ВИЧ). Существующие антиретровирусные средства способны лишь удерживать его «в узде», однако вирусная ДНК, встроившаяся прямо в хромосомы зараженных лимфоцитов, остается в них навсегда. И лишь недавно была показана возможность, используя CRISPR/Cas9, направленно и точно вырезать встроенные ДНК-копии вируса.
С развитием знаний о нашей генетике в будущем можно будет устранять даже малые генетические дефекты, задавать желаемый цвет глаз или волос, улучшать физические и умственные способности человека. А можно придать совершенно новое измерение его иммунитету. В самом деле, уже озвучены идеи частичной «пересадки» системы бактериального иммунитета другим организмам, в том числе и людям. Уже в 2015 году журнал Genome Biology опубликовал статью, авторы которой перенесли этот механизм в растение, обеспечив его защитой от некоторых вирусов. Теоретически мы можем обучить наши клетки уничтожать наследственную информацию любого известного вируса — или создавать людей, от рождения устойчивых ко многим вирусным заболеваниям.
Еще одно важное применение технологии CRISPR/Cas9 — генная терапия, позволяющая лечить наследственные заболевания у взрослых организмов. У лабораторных мышей она уже позволила вылечить наследственную форму мышечной дистрофии. С помощью генной терапии можно вылечить и рак, подсаживая больным модифицированные клетки иммунной системы, способные распознавать маркеры некоторых злокачественных опухолей. Уже есть и первые пациенты, победившие рак благодаря этой экспериментальной процедуре.
Исправление до рождения
В 2015 году американские генетики продемонстрировали способности системы CRISPR/Cas9 редактировать ДНК сперматозоидов крыс. Если эту технологию удастся перенести на людей, можно будет создавать генетически модифицированное потомство, не вмешиваясь в развитие эмбрионов и избавившись от множества этических проблем. Ошибки генома, способные привести к развитию тяжелейших болезней, могут быть исправлены еще до зачатия. Развитие генетической инженерии выглядит живой иллюстрацией принципов «автоэволюции», о которой писал Станислав Лем. Автоэволюция — это когда жестокий движущий фактор эволюции, естественный отбор, устраняющий неприспособленные особи, постепенно заменяется на «разумный замысел», при котором организмы улучшаются сами. Без лишних жертв, при жизни. Мы живем в мире стремительных изменений — но самое удивительное, что скоро так же быстро начнем меняться и мы. Можно начинать готовиться.
Эту статью я написал для Популярной Механики. Источник: http://www.popmech.ru/science/237877-kak-cheloveka-ispravlyayut-s-pomoshchyu-genov-bakteriy-podrobno-o-slozhnom/
Подробнее про передовые биотехнологии можно почитать в моей книге «Сумма Биотехнологии. Руководство по борьбе с мифами о генетической модификации растений, животных и людей».