Генетическая инженерия, по словам ученых, открывает перед человечеством большие возможности по уничтожению генетических заболеваний и созданию организмов, которые ранее не существовали. Но в то же время все не так просто, и подтверждением тому является технология CRISPR/Cas9, которая функционирует вовсе не идеально. Ошибки, которые она допускает, достаточно редки, но подобных ошибок достаточно и одной, чтобы иметь для человека фатальные последствия.
Необходимо отметить, что система CRISPR/Cas9 является своего рода ДНК-ножницами. Она вполне справедливо считается настоящим прорывом в области генной инженерии. Ученые с ее помощью имеют возможность редактировать геном человека, убирать из него мутации и таким образом лечить смертоносные и неприятные наследственные заболевания. Впрочем, не следует полагать, что подобные методы не существовали ранее. Генетики в своем арсенале имели, к примеру, нуклеазы, которые содержали цинковые «пальцы», а также эндонуклеазы – ферменты, которые развивали молекулы ДНК в определенных местах. Но оба этих метода существенно уступают по универсальности, точности и стоимости системе CRISPR/Cas9, хотя и она далека от совершенства.
Изначально данная система была создана не учеными, а самой природой. Это механизм, который на молекулярном уровне существует внутри бактерий и который позволяет им бороться в паразитами, в частности, бактериофагами. Таким образом, он фактически работает как иммунитет против инфекций. CRISPR – это определенные участки ДНК, в которых содержатся фрагменты ДНК-вирусов, ранее заражавших предков бактерий, существующих сегодня, но побежденных внутренней защитой этих бактерий. Данные фрагменты носят название спейсеры. Они разделяются между собой повторяющимися последовательностями.
После проникновения бактериофага внутрь бактерии, все повторяющиеся последовательности и спейсер, который к ним примыкает, используются кА шаблон для синтеза молекул crРНК. Таким образом происходит образование множества разных цепочек РНК, которые связаны с белком Cas9, задача которого заключается в том, чтобы разрезать ДНК вируса. Но сделать это белок сможет только после того, как crРНК отыщет фрагмент вирусной ДНК, который ей соответствует. После того, как чужеродная нуклеиновая кислота разрывается Cas9, она уничтожается другими нуклеазами.
Преимущество CRISPR/Cas9 заключается именно в ее точности, поскольку правильная работа иммунитета для бактерий – это жизненно важный вопрос. «Антивирусная» система должна отыскать среди миллиона клеток ДНК вирусный участок, и при этом не перепутать его со своим собственным геномом. Бактерии за миллионы лет своего существования довели этот механизм до совершенства. Именно поэтому исследователи, как только определили, зачем нужна система CRISPR/Cas9, пришли к выводу о том, что ее можно использовать в качестве точного редактора генов.
Для замены в геноме одного специфического участка другим, нужно синтезировать направляющую РНК, по принципу своего действия аналогичной crРНК. Эта РНК указывает белку Cas9, в каком месте ДНК необходимо разорвать две цепочки модифицируемого организма. Но необходимо учитывать, что ген нужно не испортить, а лишь модифицировать его, в частности, убрать мутацию или заменить нуклеотиды. И опять помогает природа. Естественные процессы восстановления сразу же начинают регенерировать прерванную цепочку. При этом некоторые фрагменты РНК, которые расположены рядом с разрывом, удаляются, и на их место вставляются похожие последовательности. Ученые могут вставить на их место собственные последовательности ДНК и изменить геном.
Но ничего идеального не существует. Система CRISPR/Cas9, несмотря на достаточно высокую точность, се же иногда делает ошибки. Одна причина кроется в самой системе. Бактерии не нужно, чтобы фрагмент вирусной ДНК на 100 процентов совпадал с crРНК. Бактерии необходимо, чтобы некоторые нуклеотиды отличались. Таким образом микроорганизм получает больше шансов побороть инфекции. Но в генной инженерии последствия могут быть гораздо серьезнее – изменения можно внести в те места, где это не требуется. Если подобное произойдет в процессе экспериментов на мышах, ничего страшного не произойдет, но если подобная ошибка случится в процессе редактирования человеческого генома, это может обернуться настоящей трагедией.
Таким образом, совершенно неудивительна озабоченность западных специалистов исследованиями, проводящимися в Китае. Азиатские ученые при помощи системы CRISPR/Cas9 пустили в ход генные модификации человеческого эмбриона. На территории Европы и Соединенных Штатов Америки подобные эксперименты были запрещены, но относительно недавно их разрешила- исключительно в исследовательских целях – Великобритания. Предполагается, что подобные эмбрионы должны уничтожаться через несколько недель после получения, чтобы исключить риск выведения генетически модифицированных людей.
По словам ученых, система CRISPR/Cas9 не была бы такой хорошей, если бы ее невозможно было модернизировать, улучшить. Так, в частности, исследователи «научили» белок Cas9 разрезать только одну цепочку, а не две сразу. Разрез производится на разных цепях в двух местах последовательности ДНК, поэтому система может распознать в два раза больше нуклеотидов, что делает ее более точной.
Учеными из университета Западного Онтарио был обнаружен еще один способ усовершенствования данной технологии. Исследователи попытались найти решение проблемы восстановления разрезанной ДНК: из-за быстрого восстановления нуклеиновой цепочки ученые просто не успевали внести собственные исправления в геном. Таким образом, снова приходится использовать белок Cas9, чтобы исправить цепочку ДНК.
С целью предотвращения подобной ситуации ученые усовершенствовали «белковые ножницы», сформировав белок TevCas9, который разрезан ДНК-цепочку в двух местах, затрудняя тем самым восстановление участка. Чтобы синтезировать новый фермент, в белок Cas9 был добавлен фермент I-Tevl, являющийся также эндонуклеазой – белком, который расщепляет молекулу ДНК в середине. Гибридный белок, который получился в результате исследования, оказался более точным в связывании с похожими участками и может ошибаться и разрезать цепочку не в том месте с меньшей вероятностью.
Ученые говорят о том, что повышать точность системы CRISPR можно и другими способами. Противостояние между вирусами и бактериями привело к тому, что у микроорганизмов не только выработались защитные системы, но и появились способы их обезвреживания. Бактериофаги мутируют очень быстро после того, как удаляются участки, по которым их распознает бактериальный иммунитет. В то же время, некоторые из них способны мешать работе комплекса белка Cas9 и crРНК, кодируя анти- CRISPR-белки.
В начале декабря в одном из изданий была опубликована статья исследователей из Торонтского университета, в которой говорится о создании анти- CRISPR – системы, позволяющей при определенных условиях выключать механизм. Она дает возможность предотвратить возможные ошибки путем подавления белка Cas9 в случае связи направляющей РНК не с тем ферментом. Состоит такая анти- CRISPR из тех белков, которые кодируются генами одного из бактериальных вирусов и подавляют нуклеазу.
В настоящее время технология CRISPR применяется при лечении таких серьезных заболеваний, как рак легких и лейкоз. Помимо этого, технологию испытывают для очистки от ВИЧ иммунных клеток. Чем больше ученым удастся отыскать новых способов модернизации этого метода, тем больше возможностей его применения у них появится.