Главные методы редактирования генома

Подготовить этот материал нам помог аспирант и младший научный сотрудник Центра генетики и наук о жизни Университета «Сириус» Даниил Задорожный.

Даниил Задорожный Фото: © Варвара Слива / Медиадом «Сириус»

Зачем менять ДНК?

Пожалуй, главное применение генной инженерии связано с терапией тяжёлых заболеваний, включая муковисцидоз, гемофилию, мышечную дистрофию, серповидно-клеточную анемию и другие патологии, обусловленные генетическими особенностями человека. Исправление дефектного гена снимает симптомы и значительно улучшает качество жизни пациентов. Редактирование ДНК также используют для профилактики заболеваний, особенно у людей с наследственными факторами, снижая риск развития онкологических патологий.

Современные методы позволяют точно и эффективно менять последовательность нуклеотидной цепочки, удалять или добавлять нуклеотиды, меняя функции генов и исправляя дефекты в ДНК.

Основные методы редактирования генома 

CRISPR-Cas9

«Генетические ножницы» — один из самых популярных методов редактирования генома. Механизм его работы учёные позаимствовали у иммунной системы бактерий (CRISPR — это система бактериального иммунитета, а Cas9 — белок, который разрезает нить ДНК). В общих чертах это работает следующим образом: введённый в клетку белок Cas9 связывается с ДНК и находит нужный ген, к которому потом подбирается система CRISPR и указывает белку, какой участок нужно изменить. В результате ген может быть либо полностью удалён, либо изменён.

Метод СRISPR-Cas9 принёс его создательницам Дженнифер Даудне (слева) и Эммануэль Шарпантье (справа) Нобелевскую премию по химии в 2020 году Фото: © EPA-EFE / ALEXANDER HEINL

«Цинковые пальцы»

Так называют белки, которые имеют форму, напоминающую палец с ногтем из цинка. Они способны распознавать определённые последовательности ДНК и связываться с ними, чтобы изменить некорректную цепочку нуклеотидов. Благодаря этому учёные могут внести изменения в ген, ответственный за течение болезни, предотвратив её развитие. Таким образом удаётся лечить наследственные заболевания, связанные с нарушением работы определённых генов.

Микроинъекция

Этот метод подразумевает ввод в клетку специально подготовленной молекулы нуклеиновой кислоты, которая содержит желаемые изменения в гене. На первом этапе подбирают вектор (молекула, которая доставляет генетический материал в клетку), в качестве которого используют плазмиды или вирусы. В вектор встраивают фрагмент ДНК с изменениями, которые нужно внести в геном организма. Ввести молекулу в ядро клетки можно с помощью микропипетки. После этого вектор внедряется в геном организма, а клетки, получившие новую ДНК, начинают делиться.

Prime editing

Этот метод расширяет возможности редактирования по сравнению с вышеупомянутыми. Он позволяет вносить более точные изменения в геном и считается универсальнее других подходов. Принцип работы prime editing основан на использовании трёх белков:

• dCas9 — версия белка Cas9 из системы CRISPR, который находит необходимый ген;
• PRIME-TALE — белок, способный распознавать участки нити ДНК, связываться с ними и вносить изменения;
• RT — ревертаза — фермент, который участвует в синтезе новых молекул РНК на матрице ДНК.

Компоненты первичного редактирования, pegRNA — так называемая гидовая РНК, которая направляет нуклеазу к нужному участку ДНК и является матрицей для его «переписывания» Изображение: © Ldinatto / Public domain

Где применяют генную инженерию?

Достижения генотерапии активно используются для борьбы с болезнями. Например, инсулин для диабетиков синтезируется при помощи рекомбинантной ДНК в специальных клетках-продуцентах, у которых изначально не было даже похожего гена. Генную инженерию используют, как уже было сказано выше, и для нужд сельского хозяйства. В том числе для повышения урожайности. 

Например, больше трети винограда гибнет от грибковых инфекций, среди которых выделяют мучнистую росу и серую гниль. Чтобы сделать один из самых распространённых сортов — «мерло» — устойчивым к соответствующим заболеваниям, в Научно-технологическом университете «Сириус» применили метод CRISPR/Cas9. Учёные «выключили» ген MLO7, который мешает растению сопротивляться заразе. На вкус винограда это не повлияло.

«Мы точечно выключаем у растения те гены, которые отвечают за восприимчивость к грибковым инфекциям. Фактически это тот же самый процесс, который происходит в природе: селекция основана на отборе случайных мутаций, которые возникают в результате любых ошибок при делении клетки. Мы просто ускоряем эту эволюцию, „ломая“ один конкретный ген. Это тот же процесс, что и в природе, только он в тысячу раз быстрее и менее опасный. Когда в природе происходит селекция, меняется всё что угодно и случайным образом. А здесь вы „ломаете“ конкретный ген направленно, изучаете свойства растений — и если всё нормально, высаживаете его в грунт. Это просто ускоренная селекция», — объясняет руководитель Научного центра трансляционной медицины Университета «Сириус» Роман Иванов.

Почему не редактируют геном человека? 

Многие специалисты и организации считают, что вмешательство в геном человека может привести к непредсказуемым последствиям и нарушить естественное развитие организма. Безопасность процедуры не подтверждена, а необходимые строгие протоколы не разработаны. 

Впрочем, находятся те, кто действует вопреки. Например, в 2018 году на международном съезде генетиков в Гонконге разразился скандал, когда китайский исследователь Хэ Цзянькун рассказал о том, что отредактировал геном эмбрионов, которые были использованы для экстракорпорального оплодотворения. На противозаконный эксперимент учёный пошел, чтобы обезопасить детей ВИЧ-положительного мужчины. Он вмешался в работу гена CCR5, благодаря чему дети должны были стать невосприимчивыми к вирусу иммунодефицита. Но после рождения близняшек их геном изучили, и оказалось, что обе копии гена удалось изменить только у одной из них. Согласно данным из разных источников, дети сейчас здоровы и спокойно живут с родителями. А учёный был осуждён на три года. 

Одна из главных сложностей в процессе редактирования генома — поиск нужного белка и доставка его в клетки; чтобы признак проявился, каждая клетка должна получить новый «кусочек» ДНК Фото: © Gorodenkoff / Shutterstock / FOTODOM

Цели генных инженеров

«Мечтаю воссоздать модель ДНК динозавров и открыть сириусовский парк юрского периода, — шутит Даниил Задорожный. — А если серьёзно, то сейчас коллеги сосредоточены на работе с бактериями. Ключевая идея — использование их для разрушения пластика и других синтетических материалов, превращая те в безвредные соединения, а в идеале — в топливо».  

В будущем бактерии, перерабатывающие пластик или расщепляющие токсичные вещества, могут стать эффективным инструментом в борьбе как с глобальными проблемами загрязнения окружающей среды, так и с локальными ЧП вроде произошедшей недавно в Чёрном море экологической катастрофы.

#катастрофа #Черное море #мазут

Как очистить Чёрное море от мазута с помощью бактерий

Читать