Метод редагування генів CRISPR-Cas9 після відкриття у 2012 році демонструє одне досягнення за іншим. Розроблений за зразком системи захисту бактерій, що подрібнює ДНК агресивних вірусів, він дає змогу легко й точно редагувати генетичний матеріал. Цей метод приніс революцію в біологічних дослідженнях і може широко застосовуватися в сільському господарстві й медицині.
Але він не ідеальний. Перший із його недоліків у тому, що найкраще він заміщає гени в клітинах, які діляться, а отже, мають необхідну молекулярну «фурнітуру» для включення щойно доправлених фрагментів нової ДНК. Другий — він починається з розривання ланцюгів ДНК, аби в утворені в результаті проміжки можна було вмонтувати новий генетичний матеріал. Це може мати небажані наслідки. Третій — він не дуже підходить для коригування точкових мутацій. Це збої, які зачіпають одну-дві основи (неформально їх ще називають «літерами» генома) у послідовності ДНК гена. Власне, цей недолік особливо проблематичний, адже десятки тисяч генетичних захворювань — результат саме таких точкових мутацій.
Утім, вирішення цих проблем, особливо третьої, цілком реальне. Для цього можна змінювати конкретні нуклеотиди, не розрізаючи ланцюги ДНК, у які вони включені. Минулого тижня вийшла стаття, що описує прийоми, за допомогою яких можна це робити: білкові машини під назвою «редактори нуклеотидних основ», які піддаються програмуванню, переставляють атоми однієї основи так, щоб вона перетворилася зрештою в іншу. Ще одна наукова стаття описує, як досягти схожого кінцевого результату — зміни в білку, кодованому геном, — узагалі без безпосереднього задіяння ДНК.
На початку
Редагування основ було винайдено торік Девідом Ліу з Гарвардського університету та його колегами. ДНК складається з чотирьох видів основ, кожна з яких прикріплена до одного чи двох молекулярних «хребтів», які скручуються в знамениту подвійну спіраль молекули ДНК. Ці основи часто називають А, Ц, Г і Т від перших літер їхніх повних хімічних назв (аденін, цитозин, гуанін і тимін). Своїми формами ці молекули завдячують тому, що Ц на одному ланцюгу подвійної спіралі завжди спарований із Г протилежного ланцюга, а А — із Т. У редакторі основ доктора Ліу використовується поєднання CRISPR-Cas9 з ензимом цитидин-деаміназа. У ньому також використовувалася деактивована версія Cas9, тобто ензим прикріплюється до ДНК, але вже її не розрізає. У результаті вийшла молекулярна конструкція, якій вдалося знайти конкретні пари основ Г — Ц у клітині та перетворити їх на Т — А.
Читайте також: Таємнича Гενεαλογία
В одній із праць, опублікованих минулого тижня в журналі Nature, описано спосіб розширення цього методу, за якого можна перетворювати пари А — Т на Г — Ц. Таким чином можна коригувати більше генетичних помилок. Створити цей другий редактор основ було важче за перший, тому що в природі немає еквівалента цитидин-деамінази, використаної доктором Ліу, а без нього механізм не працюватиме. Натомість створити його взялася Ніколь Ґоделлі з гарвардської команди Ліу.
Потрібний ензим — аденин-деаміназа, який працює з ДНК. Варіанти цього ензиму є, але вони діють на РНК — схожій, але не ідентичній молекулі. Ґоделлі вирішила видозмінити варіант для РНК, щоб застосовувати його на ДНК.
Для початку вона взяла дуже популярну серед біологів бактерію Escherichia coli. Вибрана нею E. coli мала дефекти в генах, що відповідають за опірність до антибіотиків. Важливий момент: мутації, які спричинили дефект у цих генах, можна було б, власне, виправити аденин-деаміназою, яка працює в ДНК. Тому Ґоделлі створила багато різних варіантів РНК-версії цього гена, сподіваючись, що якийсь із них виявиться придатним для ДНК і проявить себе, врятувавши бактерії, які інакше загинули б від дії антибіотиків.
Вона вибрала найперспективніші варіанти, піддала їх повторній мутації та повторила цей процес. Зрештою отримала ензим, який можна було прикріпити до CRISPR-Cas9, щоб виконати перетворення пар основ А — Т на Г — Ц. Це спрацювало. Поєднання інструментів для редагування основ дає бажаний ефект у більше ніж половині випадків. Використання лише CRISPR-Cas9 для проведення таких точкових мутацій спрацьовує тільки в 4% випадків. Крім того, CRISPR-Cas9 часто непередбачувано вставляє або стирає фрагменти ДНК. Під час редагування основ цього майже не спостерігається.
Фундамент прогресу
У другій статті, що вийшла в журналі Science, РНК дісталося більше уваги. Одна з найважливіших функцій РНК у клітині — переносити інформацію від генів у ядрі до механізмів виробництва білків у цитоплазмі: сигналізувати цим механізмам про те, що саме потрібно виробляти. У статті один із перших розробників методу CRISPR-Cas9 Фен Чжан з Інституту Брода в Кембриджі описує редактор основ із застосуванням Cas13 — ензима, що розрізає РНК так, як Cas9 розрізає ДНК, і ще одного ензима, який може нейтралізувати дію мутацій Г в А. Хоча редактор доктора Чжана працює з РНК, а не з ДНК, його дія (принаймні тимчасово) така сама. Підставляючи одну основу замість іншої, він змінює склад, а отже, і дію білка.
Читайте також: ДНК-карикатура
Якщо подивитися на ці різні статті, стає помітною масштабніша тенденція: інструментарій генної інженерії швидко розширюється. Зокрема, зараз випробують варіанти Cas9 із метою вдосконалення системи CRISPR-Cas9. Ще один ензим, Cpf1, швидко набирає популярності як замінник Cas9 для роботи із CRISPR.
Учені, які розробили редагування нуклеотидних основ, замахнулися навіть на епігеном. Це система, за якої деякі гени вимикаються в результаті хімічного процесу під назвою метилювання. Це елемент механізму, який визначає, до котрого типу клітин належить дана клітина. Донедавна епігеномне редагування здавалося справою далекого майбутнього. Але через швидкість появи нових технологій редагування генів можна цілком очікувати на нього й раніше. Зараз можливості генної інженерії здаються безмежними.
© 2011 The Economist Newspaper Limited. All rights reserved
Переклад з оригіналу здійснено «Українським тижнем», оригінал статті опубліковано на www.economist.com