Технология, изменившая медицину: что такое CRISPR-Cas9?

Сегодня ученые умеют добавлять, удалять или изменять определенные фрагменты генетического кода. Существует несколько подходов к редактированию ДНК, и CRISPR-Cas9 из них — самый известный. Возможность изменять генетический код стала прорывом, причиной нескольких скандалов, но самое главное — реальным шансом на спасение многих жизней. 

Труднопроизносимое название

В 1993 году испанский ученый Франциско Мохика обнаружил в геноме археи Haloferax mediterranei участки с повторяющимися фрагментами кода, между которыми имелись промежутки — так называемые спейсеры. Позже он выяснил, что похожие структуры есть и у бактерий. Ученый предположил, что все они объединены общей функцией, и назвал их CRISPR — регулярно расположенные группами короткие палиндромные повторы. Девять лет спустя были открыты белки cas, располагавшиеся по соседству с CRISPR. 

CRISPR-Cas9 основан на древнем иммунном механизме бактерий по защите от вирусов Фото: © Gorodenkoff / Shutterstock / FOTODOM

В 2005 году Мохика доказал, что спейсеры, расположенные между повторами CRISPR, идентичны фрагментам в геномах бактериофагов — вирусов, атакующих бактерии. Причем если у обоих спейсеры совпадали, микроорганизмы могли противостоять угрозе, иначе говоря, у них был иммунитет. Если упрощать, CRISPR — это что-то вроде базы данных опасных вирусов.

Но как фрагмент кода помогает распознавать угрозу и избавляться от нее? Если в бактерию попадает вирус, который занесен в «каталог» CRISPR, для этого участка кода создается РНК, которая распознает вирус и прикрепляется к нему. Получается своеобразный маячок для белков группы cas. Они присоединяются к помеченному генетическому материалу вируса и как бы разрезают (вот почему CRISPR еще называют генетическими ножницами) его, выводя врага из строя. Впервые этот процесс в 2007 году описала группа ученых под руководством Филиппа Хорвата. Дальнейшее изучение этого процесса дало толчок к развитию основанных на CRISPR методов генной инженерии. 

Уже после Мохики и Хорвата в работу над системами CRISPR включились американский биохимик и генетик Дженнифер Даудна и французский микробиолог Эмманюэль Шарпантье. Тем не менее именно они внесли основной вклад в доказательство того, что эту технологию можно использовать для запрограммированного редактирования ДНК животных и людей. За это в 2020 году ученые получили Нобелевскую премию по химии.

Дженнифер Даудна (слева) и Эмманюэль Шарпантье (справа) Фото: © EPA-EFE / ALEXANDER HEINL

Лекарства и скандалы

Сегодня редактирование ДНК активно применяют в медицине. Новая технология широко используется на ранних этапах клинических испытаний лекарств, и несколько препаратов уже увидели свет. Они позволяют менять последовательность ДНК, тем самым избавляясь от первопричины патологии. В США одобрены подобные терапевтические средства против неинвазивного рака мочевого пузыря высокого риска, гемофилии B у взрослых, серповидноклеточной анемии. Кроме того, американские исследователи сейчас тестируют препарат против дистрофического буллезного эпидермолиза, а российские — против спинальной мышечной атрофии.

Годовалая Лейла — одна из первых, кого с помощью генной инженерии спасли от острого лимфобластного лейкоза, иначе говоря — рака кроветворной системы Фото: © The Leukemia & Lymphoma Society

Перейти к клиническим испытаниям позволило развитие уже известных и появление новых подходов. Среди них метод, при котором уже не используется CRISPR-система, но задействуется белок Cas9, дающий возможность точечно заменять нуклеотиды. Благодаря такой технологии ученые ведут клинические испытания терапии высокого уровня холестерина и одного из типов лейкоза. При помощи генного редактирования они планируют бороться и с болезнью Альцгеймера. 

Помимо этого, удалось расширить возможности технологии CRISPR. Первоначально система могла воздействовать только на 12,5 % генома. Теперь же в руках исследователей инструмент, способный дать доступ практически к каждому гену. И это открывает широкие перспективы для экспериментов. Сначала ученые решили изучить перспективы применения этого метода против синдрома Ретта и болезни Хантингтона (заболевание нервной системы, которое сопровождается психическими расстройствами и патологическими непроизвольными движениями мышц из-за ошибочных сигналов мозга).

#Сириус #мозг #редкие болезни

Что такое синдром Ретта?

Читать

Другой подход к редактированию ДНК получил название prime editing. Он позволяет не только менять отдельные нуклеотиды, но и вставлять или удалять небольшие участки ДНК. В 2024 году ученые из компании Prime Medicine планируют получить разрешение на первые клинические испытания.

Однако для борьбы с наследуемыми болезнями генетические ножницы применять запрещено. В некоторых странах, в том числе в России, генетикам разрешено работать только с человеческими эмбрионами, которым меньше 14 дней. Тем не менее находятся ученые, которые нарушают это правило. 

Хэ Цзянькун Фото: © The He Lab / CC BY 3.0

Пять лет назад китайский исследователь Хэ Цзянькун выступил со скандальным заявлением о том, что он отредактировал геномы эмбрионов, которые были использованы для экстракорпорального оплодотворения. Причина такого поступка заключалась в том, что отец девочек-близнецов ВИЧ-положителен. Ученый вмешался в работу гена CCR5, благодаря чему дети должны были стать невосприимчивы к вирусу иммунодефицита. Но в итоге лишь у одной из малышек удалось изменить обе копии гена, который остался не защищен от заражения.

Хэ Цзянькуй в итоге получил три года тюрьмы, а когда вышел, быстро нашел спонсоров и открыл в Пекине лабораторию, где сейчас занимается лечением мышечной дистрофии Дюшенна и другими заболеваниями. Он заявил, что с эмбрионами больше не работает. Но его лаборатория не подпадает под действие соответствующего китайского закона, так что остается верить генетику на слово.