Биологи открыли механизм, позволяющий выключать точно выбранные гены по желанию. По мнению научного обозревателя Forbes Анатолия Глянцева, открытие может стать основой прорывных биотехнологий, вплоть до лечения наследственных заболеваний
Основа редактирования генома — вырезание генов из молекулы ДНК. Недавно биологи описали более тонкий и деликатный процесс, позволяющий обойтись без «хирургии». Целевой ген не вырезается, а просто выключается. О достижении рассказывает научная статья, опубликованная в журнале Nature Communications.
Вырезать и вставить
В арсенал биологов прочно вошел дешевый и весьма точный способ редактирования ДНК под названием CRISPR/Cas9. Как часто бывает в биотехнологии, исследователи подсмотрели решение у природы. Некоторые бактерии имеют интересный механизм иммунитета от вирусов. Они хранят в своем геноме образцы вирусных генов. Чтобы эти гены не работали в бактериальной клетке, они разрезаны «по живому». Фрагменты вирусных генов изолированы друг от друга преградами под названием CRISPR. Можно сравнить эту коллекцию вирусной ДНК с картотекой отпечатков пальцев преступников.
Но мало хранить отпечатки пальцев. Нужен полицейский, который будет дактилоскопировать прибывающих в клетку чужаков, сравнивать отпечатки с образцами из картотеки и выявлять преступников. Белок Cas9 — тот самый полицейский. Опознав в чужом геноме фрагмент из «стоп-листа», белок разрезает эту молекулу ДНК, тем самым уничтожая вирус.
В 2012 году биологи из Медицинского института Говарда Хьюза показали, что белок Cas9 умеет «прицеливаться» в нужное место молекулы ДНК и разрезать ее именно там. Нужно только дать ему направляющую РНК — короткую молекулу, подходящую к этому участку ДНК, как два кусочка пазла.
Эта статья разделила генную инженерию на «до» и «после». Сегодня вырезать или вставить ген — почти рутинная операция. Биологи постоянно пользуются этим в исследовательских целях. Не отстают и биотехнологи. К примеру, весь инсулин на фармацевтическом рынке производится микроорганизмами, которым пересадили ген выработки инсулина. Только это и делает жизненно необходимый препарат сравнительно дешевым.
Отредактировать человека
Самые смелые ожидания касаются редактирования ДНК человека. Идея выглядит очень просто. Хромосомы у человека парные, поэтому каждый ген присутствует в двух экземплярах. Один унаследован от матери, другой — от отца. Иногда один из этих экземпляров поврежден вредной мутацией. С этим печальным фактом и связано большинство наследственных заболеваний. Казалось бы, нужно только вырезать дефектный экземпляр гена. Дальше в дело вступит естественный механизм репарации (восстановления) ДНК. Этот замечательный аппарат до блеска отточен эволюцией. Он сам, без вмешательства «хирургов», скопирует нормальный экземпляр гена из здоровой хромосомы и вставит на освободившееся место.
Правда, половые хромосомы у мужчин непарные — одна X, другая Y. Так что у мужчин все же есть гены, присутствующие только в одном экземпляре. Но, во-первых, не так много болезней связано с мутациями именно в этих генах. Во-вторых, вставить здоровую копию гена можно и «вручную», с помощью генной инженерии, а не естественной репарации.
Если все так просто, почему наследственные заболевания еще не излечены? Дьявол, как водится, кроется в деталях. Как бы точно ни нацеливался белок Cas9, иногда он допускает ошибку и вырезает не тот ген. Последствия такой операции могут быть катастрофическими. Кроме того, естественная репарация ДНК не всегда проходит идеально. Есть и другие трудности.
Обратимое вмешательство
Как улучшить технологию редактирования генома? Один из возможных путей — найти белок, работающий лучше, чем Cas9. Благо в семействе Cas не один белок, а множество. Системы CRISPR/Cas обнаружены у половины известных бактерий. Они делятся как минимум на шесть типов, а те, в свою очередь — на подтипы.
Авторы недавней статьи в Nature Communications — исследователи из Вильнюсского университета, занимались малоизученной системой типа IV-A. Микробы используют ее не для защиты от вирусов, а для кое-чего похитрее. Многие бактерии обмениваются генами, передавая их по специальным трубочкам. Этот контакт заменяет им половое размножение. Но заимствование чужой ДНК — рискованное дело. Можно подхватить мобильный генетический элемент (МГЭ). Так называются комплексы генов, которые могут перемещаться по молекуле ДНК и размножаться в ней, копируя себя. Они очень похожи на вирусы, так что биологи спорят, произошли ли вирусы от МГЭ или наоборот. Так или иначе, за этими «попрыгунчиками» нужен контроль, иначе их копии заполонят весь геном. Системы типа IV-A и есть такие контролеры.
Механизмы, открытые авторами, довольно сложны. Тем более, что исследователи занимались двумя подтипами типа IV-A — IV-A1 и IV-A3. Чтобы не утонуть в деталях, опишем в общих чертах работу системы подтипа IV-A1.
Роль полицейского, патрулирующего чужую ДНК, выполняют белки Cas5 и Cas8. Молекулы двух белков сцеплены друг с другом в единый комплекс и перемещаются вместе. Белки несут с собой направляющую молекулу РНК — образец «отпечатков преступника».
Для начала «патрульные» опознают короткий фрагмент ДНК, сигнализирующий: где-то здесь, возможно, скрывается злодей. Увидев этот тревожный сигнал, они пытаются прикрепить направляющую РНК к подозрительному участку ДНК. Это получается только в случае, если «отпечатки» совпадают.
Молекула ДНК — двойная спираль. Она состоит из двух нитей, вьющихся вокруг друг друга. Когда к одной из нитей прикрепляется РНК, принесенная белками-патрульными, другой нити не остается места. Она выгибается дугой или, как говорят биологи, R-петлей. Эта петля — сигнал: здесь следует подавить работу генов. Подавлением занимается специальный белок — DinG. Он находит петлю, прикрепляется к ней и тем самым блокирует содержащиеся в ней гены.
Что интересного в открытом механизме, так это то, что с ДНК не происходит ничего необратимого. Ген не вырезается, а только выключается, и в принципе его можно включить обратно. Понятно, что обратимое вмешательство лучше необратимого. Если что-то пойдет не так, есть шанс вернуть как было.
Предвестники революции
Недавняя работа ученых из Литвы — лишь одно из множества исследований по улучшению генной инженерии. Есть и другие перспективные варианты. Например, белок Cas12a реже ошибается в «прицеливании» на нужный ген, чем белок Cas9. Белок CasX тоже точнее целится, к тому же легче проникает в клетку за счет меньшего размера молекулы и реже провоцирует иммунный ответ.
Да и старый добрый Cas9 не списан со счетов. Его можно модифицировать, убрав «ножницы» и оставив только механизм нацеливания на нужный ген. Такой обезоруженный Cas9 биологи называют мертвым (dead Cas9 или dCas9). А уж о том, что делать с найденным фрагментом ДНК, позаботится другой белок, прикрепленный к dCas9. Генная терапия на основе dCas9 уже испытывалась на животных.
Этот список можно продолжать еще долго. Пока рано говорить, какая именно технология придет на смену ставшей уже привычной CRISPR/Cas9. Скорее всего, это будет целый арсенал методов, каждый из которых хорош для своих целей.