22 октября 2021, пятница, 07:53
VK.comFacebookTwitterTelegramInstagramYouTubeЯндекс.ДзенОдноклассники

НОВОСТИ

СТАТЬИ

PRO SCIENCE

МЕДЛЕННОЕ ЧТЕНИЕ

ЛЕКЦИИ

АВТОРЫ

CRISPR/Cas: разрезай и властвуй

Редактирование генома
Редактирование генома

Нобелевскую премию этого года по химии получат американские биохимики Эммануэль Шарпантье (Emmanuelle Charpentier) и Дженнифер Дудна (Jennifer Doudna) за развитие метода редактирования генома CRISPR/Cas. Это давно ожидавшееся решение, в течение последних пяти лет создатели этой технологии упоминались в числе наиболее вероятных кандидатов на Нобелевскую премию. Правда, чаще речь шла о премии в области физиологии и медицины, а не химии. Можно даже предположить, что Шарпантье и Дудна, узнав имена лауреатов в понедельник, подумали: «Ну, не в этом году», — и расслабились, а спустя два дня были удивлены новостями.

 

Эммануэль Шарпантье и Дженнифер Дудна

С тех пор, как ученые узнали роль генома в живых организмах, у них вновь и вновь появлялось желание изменить генетическую информацию. Ведь так можно получить животных или растения с желаемыми свойствами или же, исправив вредоносную мутацию, вылечить врожденную болезнь. Они научились вносить в геном новые гены при помощи специально сконструированных вирусов и некоторых других технологий, но точность этих методов была все-таки ниже желаемой. CRISPR/Cas и ряд других способов, появившихся в XXI веке, стали новым шагом в этом пути. Они позволяют разрезать цепочку ДНК в выбранном месте, чтобы отключить определенный ген, или же нарастить в вырезанном участке новую цепочку по выбранному шаблону. Из этих методов система CRISPR/Cas стала самой популярной из-за наиболее удачного сочетания эффективности и безопасности.

Надо признать, что человечество овладело таким эффективным методом редактирования генома благодаря прокариотам: бактериям и археям. Всё началось с того, что в 1987 году группа японских ученых обнаружила в геноме кишечной палочки (Escherichia coli) область, где имелось несколько повторяющихся коротких последовательностей нуклеотидов, которые, к тому же, были палиндромными. Отсюда позже возникло название CRISPR, что значит «Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats» — короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами. Палиндромы разделялись участками ДНК, которые получили название спейсеров. Если палиндромы совпадали между собой, то спейсеры были уникальными. Очень быстро аналогичные области генома были найдены и у других бактерий, в том числе у возбудителей туберкулеза, чумы, дифтерии и ангины. Обнаружились такие группы палиндромов и спейсеров и у других прокариотических организмов — архей. По данным на 2007 год, такие структуры были найдены в геномах 45 % бактерий и 85 % архей.

Группу палиндромов, разделенных спейсерами, называют CRISPR-кассетой. В самой короткой известной CRISPR-кассете всего два спейсера, в рекордно большой, которая обнаружена у бактерии Haliangium ochraceum, их 587. Обычно их от нескольких десятков до пары сотен. Не редкость, что в геноме содержится больше одной CRISPR-кассеты, например, у археи Methanocaldococcus jannaschii насчитывается 18 кассет. Спейсеры, как правило, равны по длине, но, как уже говорилось, различаются по составу нуклеотидов. Еще не зная, какую роль играют CRISPR-кассеты в жизни бактерий и архей, ученые придумали, как извлекать из них пользу. По наборам спейсеров оказалось легко различать между собой разные штаммы бактерий, в том числе важных для медицины. Заметили исследователи еще одну вещь. У прокариот, имеющих CRISPR-кассеты, недалеко от них в геноме обнаруживались гены, которых не было у организмов, лишенных таких кассет. Их стали называть cas-генами, то есть «CRISPR-associated»  ассоциированными с CRISPR. Cas-гены кодируют cas-белки.

Было выдвинуто немало гипотез о функциях CRISPR, но понимания удалось достичь только в 2005 году, когда сразу три группы ученых, исследовавших разных бактерий, пришли к сходным результатам (1, 2, 3). Они сравнивали нуклеотидные последовательности в спейсерах с другими известными науке геномными последовательностями и обнаружили, что спейсеры совпадают с фрагментами геномов бактериофагов — вирусов, специализирующихся на заражении бактерий. Получалось, что, если бактерия будет заражена фагом, но сумеет выжить, она записывает данные об этом фаге — фрагмент его генома — на свою CRISPR-кассету. Эти записи можно сравнить с фотографиями на стенде «Разыскиваются преступники». Если такой же бактериофаг проникнет в бактерию вновь, они помогут его найти и уничтожить.

На каждом спейсере синтезируется молекула РНК, которая соединяется с одним или несколькими белками из семейства Cas. Комплекс из нескольких белков получил название белковый комплекс Cascade (CRISPR-associated complex for antiviral defense), в тех же случаях, когда белок один, это белок Cas9. Для простоты мы будем говорить только о нем. В паре РНК и Сas9 молекула РНК отвечает за «найти», а белок — за «уничтожить». Поскольку РНК комплементарна части генома вируса, то, встретившись с ним, она его опознает и присоединится к вирусной ДНК. Таким образом она доставляет белок Cas9 прямо к вирусному геному. В дальнейшем такую молекулу стали называть направляющей РНК или РНК-гидом. А белок делает то, что он умеет — разрезает цепочку вирусной ДНК, обезвреживая вирус. Получается, что система CRISPR/Cas9 служит для бактерий аналогом иммунной системы, защищающим клетку от чужеродных проникновений.

Доказать, что система CRISPR/Cas наделяет бактерию способностью разрушать чужеродную ДНК, смогли в работе 2007 года. Ее авторы заразили бактерий Streptococcus thermophilus бактериофагом. Затем они взяли тех бактерий, что оказались устойчивыми к инфекции, и проанализировали их CRISPR-кассеты, подтвердив, что там появились новые спейсеры, соответствующие нуклеотидным последовательностям в геноме бактериофага. Если эти спейсеры удаляли из генома бактерии, устойчивость к заражению терялась. Исчезала она и в случаях, когда в геноме фага в соответствующей области накапливались мутации и РНК-гид переставал ее узнавать. Кроме того, потеря устойчивости наступала при инактивации одного из генов cas у бактерии.

Этот бактериальный механизм исследователи решили использовать в качестве инструмента для редактирования геномов. Они стали синтезировать молекулы РНК, похожие на РНК-гиды из системы CRISPR/Cas9, комплементарные тому месту в геноме, где надо сделать разрез. Полученная РНК вводится в клетки вместе с белком Cas9. РНК указывает на то место, где надо резать, а белок режет. В клетках есть собственная система починки разрывов в ДНК («репарация ДНК»). Если разрыв произошел только в одной из цепей, то разрыв в ней чинится по принципу комплементарности. Особые клеточные ферменты берут за образец уцелевшую цепь и достраивают поврежденную. Если разрыв происходит в обеих (а так и происходит, если CRISPR/Cas9 работает эффективно), то образца нет, и разрыв заполняется случайными нуклеотидами. Так можно отключить нежелательный ген.

А еще можно вместе с РНК-гидом и белком Cas9 ввести в клетку донорную ДНК, несущую нужный исследователю ген. После того, как с помощью системы CRISPR/Cas9 в нужном месте ДНК будет сделан разрыв, ферменты, ликвидирующие повреждение, воспользуются донорской ДНК в качестве образца и с определенной, довольной высокой вероятностью образуется хромосома с желаемым геном.

Бум CRISPR-редактирования начался в августе 2012 года, когда в статье Эммануэль Шарпантье, Дженнифер Дудны и их коллег в журнале Science была продемонстрирована первая такая система. В сентябре того же года группа под руководством Виргиниюса Шикшниса из Вильнюсского университета опубликовала в PNAS статью со сходными результатами. Литовская группа изначально подавала свою статью в журнал Cell, но редакция отклонила ее. Если бы не это, литовцы оказались бы первыми. В январе 2013 года свое исследование, содержавшее систему CRISPR/Cas9, опубликовал Фэн Чжан из Института Брода. Он первым испытал технологию на культурах клеток млекопитающих — мышей и людей. Вскоре еще один вариант представили Прашант Мали и Лухан Ян.

С тех пор число исследований, как использующих существующие системы CRISPR/Cas, так и вносящих усовершенствования в технологию редактирования, постоянно множится. Ранее о системе CRISPR/Cas, ее применении в терапии различных болезней и обсуждении ее перспектив мы писали в очерках «Редактирование генома: за и против» , «Новый шаг в редактировании генома», «Как бактерия распознает чужих» и в целом ряде других публикаций. Наиболее значимым достижением в этой области за последние несколько лет стало создание в 2017 году технологий, позволяющих заменить в цепочках ДНК или РНК отдельный нуклеотид. В этих технологиях использовались направляющие РНК из системы CRISPR/Cas, но белок модифицировался так, чтобы не разрезать место в цепочке, где содержится нужный нуклеотид, а только отметить его, а затем при помощи особых ферментов происходило превращение нуклеотида. Для молекул РНК такую технологию разработал уже упоминавшийся Фэн Чжан, а для ДНК — исследовательская группа Дэвида Лю.

Вокруг этого, действительно значимого открытия возникла бурная полемика, связанная с проблемой приоритета и прав на патент. Калифорнийский университет, где работали Шарпантье и Дудна, подал заявку на патентование на полгода раньше, чем Институт Брода, в котором работает Фэн Чжан. Однако Институт Брода сумел добиться ускоренного рассмотрения заявки, поэтому в 2014 году Фэн Чжан стал обладателем патента на технологию CRISPR/Cas9 в применении к эукариотическим клеткам. Это вызвало протесты со стороны Калифонийского университета, которые вылились не только в патентное разбирательство, но и в полемику в научной прессе относительно того, чей вклад в создание технологии весомее. В феврале 2017 года Совет по патентным судам и апелляциям отклонил протест Калифорнийского университета, оставив патент за Фэн Чжаном и Институтом Брода, но другая сторона не оставила попыток оспорить это решение. Датскую премию Novo Nordisk в 2017 году и Премию Кавли в 2018 году «За изобретение CRISPR-Cas9 — точного наноинструмента для редактирования ДНК, совершившего прорыв в области биологии, медицины и сельского хозяйства» получили Эммануэль Шарпантье, Дженнифер Дудна и Виргиниюс Шикшнис.

Обсудите в соцсетях

«Ангара» Африка Византия Вселенная Гренландия ДНК Иерусалим КГИ Луна МГУ МФТИ Марс Монголия НАСА РБК РВК РГГУ РадиоАстрон Роскосмос Роспатент Росприроднадзор Русал СМИ Сингапур Солнце Титан Юпитер акустика антибиотики античность антропогенез археология архитектура астероиды астронавты астрофизика бактерии бедность библиотеки биоинформатика биомедицина биомеханика бионика биоразнообразие биотехнологии блогосфера вакцинация викинги виноделие вирусы воспитание вулканология гаджеты генетика география геология геофизика геохимия гравитация грибы дельфины демография демократия дети динозавры животные здоровье землетрясение змеи зоопарк зрение изобретения иммунология импорт инновации интернет инфекции ислам исламизм исследования история карикатура картография католицизм кельты кибернетика киты клад климатология клонирование комары комета кометы компаративистика космос кошки культура культурология лазер лексика лженаука лингвистика льготы малярия мамонты математика материаловедение медицина металлургия метеориты микробиология микроорганизмы мифология млекопитающие мозг моллюски музеи насекомые наука нацпроекты неандертальцы нейробиология неолит обезьяны общество онкология открытия палеоклиматология палеолит палеонтология память папирусы паразиты пауки перевод питание планетология погода политика право приматы природа психиатрия психоанализ психология психофизиология птицы путешествие пчелы ракета растения реки религиоведение рептилии робототехника рыбы сердце смертность собаки сон социология спутники средневековье старение старообрядцы стартапы статистика табак такси технологии тигры топливо торнадо транспорт ураган урбанистика фармакология физика физиология фольклор химия христианство цифровизация школа экзопланеты экология электрохимия эпидемии эпидемиология этология язык Александр Беглов Алексей Ананьев Дмитрий Козак Древний Египет Западная Африка Латинская Америка НПО «Энергомаш» Нобелевская премия РКК «Энергия» Российская империя Сергиев Посад Солнечная система альтернативная энергетика аутизм биология бозон Хиггса вымирающие виды глобальное потепление грипп защита растений инвазивные виды информационные технологии искусственный интеллект история искусства история цивилизаций исчезающие языки квантовая физика квантовые технологии климатические изменения когнитивные науки компьютерная безопасность компьютерные технологии космический мусор криминалистика культурная антропология культурные растения междисциплинарные исследования местное самоуправление мобильные приложения научный юмор облачные технологии обучение одаренные дети педагогика персональные данные подготовка космонавтов преподавание истории продолжительность жизни происхождение человека русский язык сланцевая революция темная материя физическая антропология финансовый рынок черные дыры шнобелевская премия эволюция эволюция звезд эмбриональное развитие этнические конфликты ядерная физика Вольное историческое общество Европейская южная обсерватория жизнь вне Земли естественные и точные науки НПО им.Лавочкина Центр им.Хруничева История человека. История институтов дело Baring Vostok Протон-М 3D Apple Big data Dragon Facebook Google GPS IBM MERS PayPal PRO SCIENCE видео ProScience Театр SpaceX Tesla Motors Wi-Fi

Редакция

Электронная почта: polit@polit.ru
Яндекс.Метрика Top.Mail.Ru
Свидетельство о регистрации средства массовой информации
Эл. № 77-8425 от 1 декабря 2003 года. Выдано министерством
Российской Федерации по делам печати, телерадиовещания и
средств массовой информации. Выходит с 21 февраля 1998 года.
При любом использовании материалов веб-сайта ссылка на Полит.ру обязательна.
При перепечатке в Интернете обязательна гиперссылка polit.ru.
Все права защищены и охраняются законом.
© Полит.ру, 1998–2021.