22.11.2017
ДНК

Как ремонтировать ДНК

Рейтинг:  5 / 5

Звезда активнаЗвезда активнаЗвезда активнаЗвезда активнаЗвезда активна
 

Прогнозировать кто и за что получит Нобелевскую премию рискованно. Но некоторые открытия настолько значимы, что получение их авторами блестящей медали выдается лишь вопросом времени, пишет издание The Economist.

Одно из таких открытий — мощная технология коррекции генов CRISPR-Cas9, что серьезно упрощает сложную и кропотливую процедуру изменения генетического материала живых организмов.

Биологи с энтузиазмом взялись за CRISPR-Cas9, сначала экспериментируя на животных, а теперь испытывая технологию и на людях. В марте ученые Китая сделали исторический шаг, когда отчитались про первое успешное применение технологии генетической мутации у эмбриона человека, что вызывает заболевание. Но результаты их работы были смешанные. Они на 100% успешно скорректировали дефектный ген, что вызывает тип анемии, известный как фавизм. Однако опробовали технологию только на двух пораженных эмбрионах. В случае четырех других носителей мутации, что обусловливает еще один вид анемии, талассемией, корректировки было успешным только у одного эмбриона.

В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature, группа ученых из Америки, Китая и Южной Кореи удачно сделала то же самое с поразительно одинаковыми результатами в значительно большем количестве эмбрионов. К тому же ученым удалось избежать некоторых ловушек предыдущих экспериментов или минимизировать их. Это дает возможность предположить, что у CRISPR-Cas9 после определенных доработок и кропотливой дальнейшей работы есть неплохой шанс рано или поздно перейти от лабораторий до больничных палат.

Читайте также: CRISPR: ученые-генетики перехватывают управление эволюцией

Упомянутые выше ученые — Гонг Ма из Орегонского университета здравоохранения и науки с коллегами — взяли сперму от мужчины, который является носителем мутировавшего гена YBPC3. Последний обусловливает развитие гипертрофической кардиомиопатии — состояния, при котором стенки сердца утолщаются. Как и в случае с генами, обусловливающими талассемией и фавизм, наследование единственной копии дефективной вариации этого гена достаточно, чтобы вызвать у человека такую кардиомиопатию.

Этими сперматозоидами, половина из которых несла мутировавшее вариацию MYBPC3, оплодотворяли яйцеклетки с нормальной копией этого самого гена. Соответственно шансы, что эмбрионы, которые образовались, будут иметь дефективную копию гена, были 50:50. Если бы этим эмбрионам позволили развиться без редактирования генов, те, что были носителями дефективной копии, скорее всего, во взрослом возрасте страдали бы от болезни.

От меча до орала

Технология редактирования генов CRISPR-Cas9 развилась по образцу системы защиты от бактерий, измельчает ДНК агрессивных вирусов. CRISPR расшифровывается как «короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами». Это небольшие цепи РНК (молекулы, подобной ДНК), каждый из которых выстроен так, чтобы бороться с конкретным сегментом ДНК вируса. Cas9 — это энзим, который под контролем цепей CRISPR режет ДНК в определенной точке.

Модифицировать эти механизмы в генной инженерии, по крайней мере в теории, просто. Поскольку ДНК и РНК функционируют фактически одинаково во всех живых организмах, строя соответственно сконструированные CRISPR, молекулы-проводники могут направить Cas9 на то, чтобы сечь любую ДНК, выбранную их конструкторами. Так можно избавляться от нежелательных цепочек «букв» в генетическом коде. Впоследствии клетки пытаются исправить вред, поэтому генные инженеры могут вводить в них правильные вариации ДНК, которых организм лишился. Эти правильные вариации могут служить образцом, который клетка способна скопировать. Таким образом можно стимулировать механизм исправления проблемы именно так, как запланировали генетики.

Учеными ожидалась, что, получив такие образцы, эмбрионы смогут очиститься от наследственной генетической болезни. Похоже, что эти надежды оправдались, по крайней мере частично. До завершения эксперимента 72% эмбрионов не имели мутировавших вариаций MYBPC3. Это лучше 50%, которые избежали бы миопатии без генетического редактирования.

Такое достижение доктора Ма и его коллег свидетельствует о том, что они преодолели две проблемы, на которые часто натыкаются практики коррекции CRISPR-Cas9. Одна — когда у проводника может произойти сбой (и молекулы CRISPR приведут энзим частей генома, что похожи, но не идентичны с нужными). К счастью, ученые не нашли свидетельств такого ошибочного редактирования.

Вторая проблема заключается в том, что даже когда коррекция происходит там, где нужно, она может не охватить каждую клетку. Много предыдущих экспериментов, включая и некоторых на эмбрионах, приводили к мозаицизму, когда в результате коррекции получается смесь модифицированных и немодифицированных клеток. Если цель коррекции — устранить генетическое заболевание, то такой мозаицизм опасен противоположным следствием, то есть он грозит наоборот, умножить дефект.

Доктор Ма с коллегами предположили, что решением может стать введение молекул CRISPR-Cas9 в яйцеклетку одновременно с введением сперматозоида. Таким образом, процесс коррекции может длиться достаточно долго, чтобы закончить свою работу, прежде чем оплодотворенная яйцеклетка пройдет первый этап разделения. Через три дня (за это время яйцеклетка уже поделилась несколько раз) все, кроме одного, 42 эмбриона, на которых технология сработала удачно, показали идентичные модификации в каждой клетке.

Ведутся работы

Это уже хорошо. Но есть и третья проблема, которая сбивает с толку во время экспериментов с CRISPR-Cas9. Это качество коррекции. Клетки «ремонтируют» дефекты в ДНК как минимум в два способа. Один — простое сшивание поврежденных цепей ДНК. Их «буквы» удаляются или добавляются в произвольном порядке. Поскольку в таком процессе добавляются другие мутации, он не подходит для медицинской коррекции дефектов ДНК (хотя мог бы применяться для генетической модификации агрокультур). К счастью, второй механизм — это латание прорех под руководством образца. Он не приводит к появлению дополнительных ошибок. Но клеткам, похоже, больше нравится произвольный подход. В предыдущих исследованиях CRISPR-Cas9 более точный метод случался только с частотой от 2% до 25% случаев.

Впрочем, клетки, что фигурировали в экспериментах ученых, вели себя значительно более ответственно. И этому, наверное, не стоит удивляться. Любой генетический дефект в оплодотворенной яйцеклетке, если его не исправить, в дальнейшем повлияет на целый организм. Поэтому у эмбрионов есть эволюционный стимул исправляться. Но тут ученых ждала неожиданность. В противовес их чаяниям клетки на удивление редко использовали для коррекции введенный образец: только в одном из 42 модифицированных эмбрионов. Остальные «ремонтировала» дефектный ген, ориентируясь на немутировавшую копию, унаследованную от матери. Это контрастировало с результатами контрольных экспериментов, которые ученые параллельно проводили на человеческих стволовых клетках (те значительно чаще ориентировались на образец, введенный для коррекции). По словам ученых, это может свидетельствовать про доселе неведомый механизм коррекции ДНК у эмбрионов.

Если это окажется правдой, то станет хорошей, и плохой новостью одновременно. Хорошей, потому что даст возможность предположить, что эмбрионы часто выполняют высококачественный ремонт без внешней помощи. Плохой, потому что «ремонт» удастся только тогда, когда вторая копия гена не будет иметь никакого брака. Эмбрионы, которые наследуют две поврежденные копии определенного гена — по одной от каждого из родителей, — просто заменят одну дефективную другой, и общего успешного результата не будет.

Джин-Су Ким из Института фундаментальных наук в Южной Корее (он один из соавторов исследования) считает, что во время дальнейшего изучения генетики смогут обойти и эту проблему. Он указывает на то, что эмбрионы мышей, очевидно, без проблем пользуются внешним генетическим материалом. Возможно, существуют биохимические подсказки, которые контролируют то, как клетка влияет на изменение ДНК, и этими подсказками можно манипулировать. Впрочем, разница результатов исследований может свидетельствовать про непреодолимый эволюционный разрыв между мышами и людьми — видами, чьи ближайшие общие предки жили более 60 млн лет назад.

Но это уже вопрос для другого исследования. В течение следующих месяцев доктор Ма и его коллеги планируют повторить и расширить свою работу, экспериментируя с другими мутациями и донорами. Одна из целей — усовершенствовать эффективность технологии. Шухрат Миталипов, коллега докторки Ма из Орегона, который тоже является соавтором исследования, считает, что эффективность технологии можно довести до как минимум до 90%. Конечная цель, хотя до нее еще далеко, — полноценные клинические исследования, в которых модифицированные эмбрионы, очищенные от генов, которые вызывают болезни, реимплантируются в лоно своих матерей и донашиваются до положенного срока. Если это осуществится успешно, тогда можно будет сказать, что инженерия генов человека достигла совершеннолетия.

  1. Последние
  2. Популярные
Загрузка...

Новости технологий сегодня

Самые популярные метки