CRISPR/Cas (Криспр/Кас) – участки генома бактерий способны излечить болезни человека – суть технологии, история разработки, как работает

CRISPR/Cas – что это такое

Если вы хоть немного интересуетесь наукой, то наверняка слышали о CRISPR/Cas – скорее всего, это словосочетание представляется вам как сверхтехнология в области медицины, ассоциируется с понятиями о ДНК и геноме, лечении рака и бессмертии. И это действительно так – данная технология раскрывает такие утопические и фантастические возможности перед человечеством, о которых мы только могли мечтать. С помощью этой биотехнологии можно редактировать ДНК, что напоминает научно-фантастический сюжет: родители смогут выбирать цвет волос и глаз для будущего ребенка, все болезни, которые связаны с поломкой гена, уйдут с лица Земли навсегда, люди обретут здоровье и долгую жизнь. Масштабное изучение CRISPR началось совсем недавно, в 90-х годах, потому сложно представить до конца, какие перспективы открывает нам этот механизм и получится ли вообще применить технологию для представителей человеческого рода, ведь внедрение в ДНК, в древние архивные записи, полностью определяющие нас, или увенчается абсолютным успехом, или приведет к неизбежному краху. 

CRISPR/Cas – краткая история, как работает технология 

Криспр кас – это технология редактирования генетического кода, базирующаяся на иммунной системе бактерий. В основе механизма – участки генома бактерии, короткие палиндромные кластерные повторы – CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats).

Сама технология достаточно сложна для понимания, однако мы постараемся изложить её в наиболее понятной и упрощенной форме. В 1987 году японские ученые в геноме кишечной палочки нашли участок ДНК, который состоял из многочисленных повторов – CRISPR-локусов. Интерес таких участков состоял в том, что они ничего не кодировали, то есть не несли никакой информации, а как известно, генетический код славится своей прагматичностью и экономностью – в ДНК просто не может быть бессмысленных участков. Позже такие «кассеты» были найдены у большого количества бактерий и архей. В начале 2000-х несколько групп ученых сравнили последовательности известных CRISPR-локусов, которые были ранее внесены в базу данных, с последовательностями вирусных ДНК и нашли сходство – тогда было выдвинуто предположение, что эти многочисленные повторы связанны с антивирусным иммунитетом бактерий. В ходе этих же исследований был обнаружен белок Cas, который часто располагался возле CRISPR-кассет. В 2006 году ученые обнаружили еще одну составляющую этого сложного механизма – «криспер-РНК», которая управляла Cas-белками. После этой находки недостающего пазла сложилась целостная картина. Когда архей или бактерия встречает новый вирус, ДНК вируса обнаруживается с помощью белка Cas, который использует с CRISPR РНК-копию. Если какой-то участок гена вируса совпадает с записанной в кассете, Cas разрезает инородную ДНК, запускает каскад реакций для её утилизации – так работает противовирусная система одних из наипростейший организмов на нашей Земле – бактерий. 

Как ученые обратили технологию Криспер в полезную для человека?

В начале 2013 года ученые доказали, что система CRISPR/Cas применяема не только в клетках бактерий, но и в ядрах клеток высших организмов, в том числе, и человека. Следует учесть, что пока большинство исследований проводится на животных в ввиду схожести строения наших генных структур и молекулярных механизмов, а также, безусловно, из морально-этических соображений.  Как это работает в организме высшей организации? Белок ищет участок ДНК в геноме животного, который нужно вырезать, а для того, чтобы белок нашел нужную последовательность нуклеотидов, ему в помощь дают молекулу РНК с той же последовательностью, что и в искомом участке. Сверяя РНК, которую вручили как образец для поиска, с различными ДНК животного, фермент в конце концов находит нужную последовательность в геноме и вырезает его. Таким образом, фрагмент ДНК вырезается с абсолютной точностью, а краевые участки сшиваются благодаря универсальным механизмам починки ДНК.  

Как именно CRISPR/Cas будет бороться с болезнями? 

Кто бы мог подумать, что опасные и не желательные для нас на первый взгляд микроорганизмы могут существенно помочь бороться с болезнями, которые столетиями не имелось возможности преодолеть? Истина в простом, и этот механизм тому подтверждение. Человек – диплоидный организм, а это означает, что при рождении мы получаем двойной набор хромосом: один от мамы, а второй от папы. В случае генетических болезней в одной из родительских хромосом возникает поломка – это состояние называется носительством заболевания, а если обе копии неправильные – тогда возникает непосредственно патология. Классический школьный пример – гемофилия у царевича Алексея Романова. У его бабушки проявления гемофилии отсутствовали, однако она была носителем заболевания - одна здоровая Х хромосома компенсировала работу дефектной.

А вот её внуку повезло меньше, ведь у него всего лишь одна Х-хромосома, она и оказалась дефектной. Гемофилия, как и другие генетические заболевания, вызвана изменением одного нуклеотида ДНК, а в человеческом геноме их около 6 миллиардов! Найти это микро-поломку, не нарушив строение остальных цепей ДНК – основное задание генетики. Система CRISPR/Cas справляется с этой задачей: являясь механизмом схожей природы с ДНК, криспр с хирургической точностью «вырезает» дефектные нуклеотиды с помощью «направляющей» РНК, последовательность которой совпадает с искомым местом. Мишень узнается на участке длинной в 20-30 нуклеотидов – последовательности такой длинны встречаются в ДНК единожды, что сводит на нет возможность промаха. После разрыва дефектной ДНК новых поломок не случится, поскольку срабатывает механизм репарации и исправления по здоровой копии из парной хромосомы. Если парная хромосома отсутствует, как при гемофилии, можно внести в клетку правильную последовательность «извне» одновременно с белком Кас и его РНК-гидом – тогда ДНК встроит в место разрыва «хорошие» нуклеотиды. Таким образом, CRISPR/Cas работает на основе базового принципа комплементарности, который был открыт еще Джимом Уотсоном и Френсисом Криком.

Применения CRISPR/Cas на человеческих эмбрионах  

 И все же, китайские ученые попытались применить систему криспер на человеческих эмбрионах, а если точнее, на оплодотворенной яйцеклетке с поломкой в гене, которая приводит к заболеванию крови – бета-талассемии. По вышеописанной схеме были введены белок Кас и РНК-гид, цель которых «вырезать» дефектную копию гена. И результат исследования был неоднозначным. С одной стороны, использование CRISPR/Cas действительно было эффективным - в 5-10% эмбрионов дефект ДНК был устранен. А с другой стороны, в эмбрионах, которые были под воздействием технологии, обнаружилось большое количество поломок уже в здоровых генах, что могло откликнуться самыми устрашающими мутациями далеко за пределами системы кроветворения. Стоит признать, что система CRISPR/Cas все еще полна неточностей и не совсем специфична. Как было сказано выше, технология работает безошибочно тогда, когда участок ДНК-мишени длиной 20-30 нуклеотидов – тогда этот участок комплементарно взаимодействует с РНК-гидом. Однако в генетическом материале могут встретиться такие же последовательности нуклеотидов, однако с разницей в одной букве, или в двух – каждая из таких мишеней взаимодействует не так хорошо, чем идеально комплементарная, но все же взаимодействует. Поскольку таких «почти похожих» последовательностей очень много, то и неправильное распознавание и разрезание ДНК происходит часто. Что с этим делать и как добиться полной специфичности – пока неизвестно. 

Еще одна проблема CRISPR/Cas – неэффективность по отношению к так называемым полигенным заболеваниям. Безусловно, в случае единичной поломки ДНК технология редактирования работает на ура – есть белок, РНК-гид и один дефектный ген. А что делать, если заболевание вызвано множественным поражением генов и их разными вариациями взаимодействия? К примеру, с каждым годом исследуется все больше мутаций генов, которые ответственны за развитие шизофрении, сахарного диабета или алкоголизма. Как быть с подобными заболеваниями, какие именно гены редактировать и какие создавать РНК-гиды – пока неизвестно.

Почему будущее за технологией CRISPR/Cas?

Следует отметить, что в генной медицине параллельно развиваются другие технологии для редактирования ДНК, к примеру, TALENs. Механизм работы этой технологии также связан с разрушением нуклеотидов: специальные белки «кусают» молекулу ДНК. Однако сложность использования этой системы вот в чем: для того, чтобы белок узнал участок гена, который должен подвергнутся разрушению, нужно специально создавать отдельный белок для каждой последовательности, а это длительный и кропотливый процесс. Здесь абсолютные преимущества у CRISPR/Cas, ведь в системе используется единственный универсальный для всех белок, а РНК-гид создается в лабораторных условиях за относительно короткий период, что, кстати, сказывается и на цене метода – более простой, а, значит, дешевый. Безусловно, до масштабного повсеместного использования CRISPR/Cas в медицине еще далеко: существует ряд серьезных недостатков, которые предстоит устранить. Однако перспективность данного метода остается фактом: эффективность, относительная простота и доступность дают возможность прогнозировать успех в лечении генетических заболеваний. 

CRISPR/Cas видео обзор технологии