CRISPR CRISPR ХРУСТЬ

Эффективное изменение эмбрионов стало возможным благодаря разработке мощного и точного инструмента. Он работает так точно и настолько легок в использовании, что в 2015 году генетики впервые решились на генетическое изменение человеческих эмбрионов. С тех пор все больше исследовательских групп запрыгивает в этот поезд. Возможно, вы уже слышали об этом, а если нет, то однозначно услышите в ближайшее время: генетические ножницы CRISPR / Cas9. Желая получить знания (а вы, я знаю, желаете), вы сразу задатите несколько вопросов: «Что такое генетические ножницы? Можно ли упаковать их в ручную кладь в аэропорту? Разрешено ли спроектированным детям бегать с генетическими ножницами в руках?» CRISPR / Cas9 (произносится Крисп-Kас-девять) – это сокращение от Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats / CRISPR Associated 9, что в переводе на русский означает «короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами». Вам не нужно это запоминать, но, по крайней мере, теперь вы можете утверждать, что где-то уже об этом читали.

CRISPR – это последнее поколение генетических ножниц, позволяющих нам осуществлять целенаправленные изменения в ДНК материале с беспрецедентной легкостью и точностью. Технология CRISPR продолжает развиваться так быстро, что любая исследовательская работа, которая ведется в настоящее время, в основном работает уже со старым инструментом. Можно сравнить со смартфонами: вам не хочется покупать текущую модель, потому что через две недели все равно появится новая. Только покупка современного айфона обойдется дороже, чем комплектующий набор CRISPR.

Чтобы целенаправленно изменять ДНК, CRISPR использует два компонента: один определяет, в каком месте ДНК должна быть изменена (гРНК), а другой на этом месте вносит изменения (Cas9). ГРНК (гидовая РНК) – это своего рода закладка, которая может быть положена только в определенной точке генома. Сама она состоит из короткой нити генетической информации и содержит последовательность длиной в 20 букв, которую можно выбрать самостоятельно и тем самым определить, к какому месту в геноме она подходит. Сама гРНК может не более чем связываться с ДНК, поэтому ей необходим второй компонент для изменения ДНК в определенном месте: энзим Cas9. Cas9 присоединяется к гРНК, та направляет его к участку генома, который должен быть изменен. Оказавшись на месте, Cas9 прорезает нить ДНК, что объясняет происхождение термина «генетические ножницы». Выбирая подходящую гРНК, можно точно указать при помощи буквы, где именно в геноме Cas9 должен сделать разрез. Так работает оригинальная стандартная версия CRISPR, которая может исключить ген. Однако CRISPR также может быть использован для добавления новых последовательностей генов путем введения их в клетку в дополнение к гРНК и Cas9. Более новые версии системы CRISPR позволяют даже временно включать или выключать гены или изменять отдельные буквы ДНК без необходимости прорезания двухцепочной ДНК. Можно сказать, что CRISPR – это не просто инструмент, а набор инструментов, превративший сложную задачу по модификации генов в простую для освоения игру в кубики. До появления CRISPR, как правило, было необходимо сконструировать собственный белок для целенаправленной генной модификации. Это было чрезвычайно затратно и в некоторых случаях занимало годы. С CRISPR это можно сделать в течение нескольких недель.

Покупка современного айфона обойдется дороже, чем комплектующий набор CRISPR.

Все, что необходимо для создания вируса CRISPR, подробно описано в протоколах. Следовать им так же легко, как рецептам в кулинарной книге, за исключением того, что измеряется все микрограммами, и редко можно встретить такие величины, как «щепотка» или «по вкусу». Единственное, что не описано в этих стандартизированных инструкциях, это 20-буквенная последовательность гРНК, поскольку она зависит от того, какой ген вы хотите изменить. К счастью, вы можете легко и просто сделать это самостоятельно.

После того как я так долго мучил вас теорией, пришло время для небольшой практики. Встаньте, немного потянитесь и – шагом марш к своему компьютеру: сейчас мы будем создавать последовательность CRISPR. Перейдите на стартовую страницу http://chopchop.cbu.uib.no/. Страница называется chop chop, потому что дело касается звука генетических ножниц при разрезании. Я знаю, юмор очень важен в науке. В поле «Target» введите название вашего любимого гена, например, «MSTN», ген миостатина, который обеспечивает безудержный рост мышц при потере функциональности. Затем нажмите «Find Target Sites!» Отлично, в разделе «Target sequence» вы увидите несколько возможных последовательностей для вашей гРНК, отсортированных по их эффективности и точности. Более того, вы увидите изображение гена миостатина, какие из гРНК будут вырезаны и в каком месте. Вот и все, теперь вы можете заказать свою любимую последовательность с парой других ингредиентов, что есть в любой обычной лаборатории клеточных культур, и создать функциональный вирус CRISPR за несколько недель.

Эмбрионы из-под генетических ножниц готовы

Развитие CRISPR настолько расширило возможности генетики, что даже чрезмерно мотивированные ученые едва успевают за последними достижениями. Технология CRISPR была впервые обнародована в 2012 году. В то время она использовалась только для разрезания ДНК в бактериях. Но уже в 2013 году появилась исследовательская работа, в которой CRISPR использовалась для одновременного изменения нескольких генов в эмбрионах мыши.

В 2015 году произошло большое событие. Впервые в истории науки китайские исследователи решились на генетическое изменение эмбрионов человека.

Исследователи начали свою работу на самой ранней стадии развития – с одной только что оплодотворенной яйцеклетки. Возможно, вы задаетесь вопросом, откуда они берутся. Обычно при экстракорпоральном оплодотворении остается несколько лишних оплодотворенных яйцеклеток. В некоторых странах их разрешено использовать непосредственно для исследований. В Австрии на это нет прямого разрешения, тем не менее на них все равно можно проводить исследования, если яйцеклетки импортированы из-за границы. Циники сказали бы, что это единственное по-настоящему поддерживаемое австрийским правительством интеграционное мероприятие. Каждое генетическое изменение, успешно выполненное в оплодотворенной яйцеклетке, будет передано всем клеткам развивающегося организма.

Ученые хотели исправить мутацию, которая нередко приводит к смертельному заболеванию крови. Они ввели систему CRISPR / Cas9 в 86 клеток и в течение двух дней ждали, когда CRISPR спокойно закончит свою работу. По истечении этого времени оплодотворенные яйцеклетки уже несколько раз поделились и переросли в крошечных эмбрионов, каждый из которых состоял из восьми клеток и был исследован генетиками. Однако результат не подарил праздничного настроения ни одному из ученых. Никого не пронесли через лабораторию на плечах и не забросали конфетти, потому что из 86 эмбрионов только у четырех было желаемое изменение гена, и даже у них генетическая модификация не была успешной во всех клетках организма. Кроме того, возникло много нежелательных мутаций, можно с уверенностью сказать, что первый научный блин был комом. И после всех неприятностей у исследователей снова возникли проблемы, на сей раз с поиском отраслевого журнала, который был бы готов опубликовать их работу. Изменение человеческих эмбрионов настолько противоречивая тема, что крупные журналы не хотели иметь с ней ничего общего. И это горько, потому что качество специализированного журнала для исследователей – что толщина золотой цепочки для пролетариата. Оно определяет самооценку и репутацию внутри сообщества. Два самых авторитетных журнала, Science и Nature, иногда отказывались публиковать подобные работы отчасти по этическим причинам. Вместо этого они издались в Protein & Cell. Это соответствует разнице между публикацией в качестве девушки месяца в журнале Playboy и небольшим объявлением в церковной газете Унтерштинкенбрунна. При этом ученые приложили много усилий, чтобы минимизировать этические вопросы. Вместо того чтобы оплодотворять яйцеклетки с одним сперматозоидом в каждой, они брали те, в которых их было два. Такие зародыши могут нормально развиваться в течение нескольких дней, но затем неизбежно погибают. То есть они не смогли бы развиться в человека ни при каких обстоятельствах, даже если бы были имплантированы женщинам во время искусственного оплодотворения.

Хотя у генетически модифицированных эмбрионов было шаткое начало, это не остановило попытки других исследовательских групп добиться большего успеха. Не в последнюю очередь потому, что CRISPR предлагал новые возможности каждые несколько месяцев. В настоящее время исследования CRISPR на эмбрионах также проводятся в Лондоне или США. И к 2017 году многие проблемы, с которыми столкнулась китайская группа генетиков, были преодолены.

Из яйцеклетки, оплодотворенной сразу двумя сперматозоидами, эмбрион никогда не разовьется.

Международная исследовательская группа преуспела в исправлении мутации в эмбрионах, приводящей обычно к патологически утолщенной сердечной мышце. Во всех используемых эмбрионах генетическая модификация прошла успешно. Никаких нежелательных изменений генов обнаружено не было, и у всех до одного произошли изменения в каждой клетке организма. Интересно, что статья о результатах эксперимента была опубликована в престижном журнале Nature, хотя в этом случае использовались в основном оплодотворенные яйцеклетки, из которых теоретически могли развиться люди.

Хотя CRISPR очень прост в использовании, как говорится, дьявол кроется в деталях. Эксперименты с другими областями генов и заболеваниями готовят новые проблемы, и хотя уже были отдельные успешные исследования, все еще остаются препятствия, которые необходимо преодолеть, прежде чем генетическая модификация человеческих эмбрионов станет настолько надежной, что мы сможем характеризовать ее как безопасную. Однако, задумываясь о гигантских шагах, сделанных за последние годы, трудно поверить, что этот момент находится в далеком будущем. Профессор Гарварда Джордж Чёрч, сыгравший важную роль в разработке CRISPR, подытожил точность технологии в начале 2017 года так: «При помощи хорошей компьютерной программы, которая прогнозирует, в какую часть генома должны быть внесены изменения, вероятность ошибок будет ниже, чем вероятность спонтанных мутаций. Это означает, что дрянь, которая настигнет вас в воздухе, будет хуже».

Под этим он подразумевает, что солнечный свет, радиоактивность, загрязняющие вещества и другие вещи в нашей среде безостановочно вызывают больше неконтролируемых изменений в ДНК человека, чем хорошо спроектированный CRISPR.

Такой затруднительной генетическую модификацию делает не техническая сложность процесса надежного манипулирования генами. Большая проблема – наше ограниченное понимание собственного генома. Гены – это не усердно нанизанные рядом друг с другом на нить ДНК функциональные одиночки, как накачанный риталином ботаник на уроках математики. Они больше похожи на класс управляемых гормонами подростков во время большого перерыва, которые создают вид хаотичной толкучки, но при ближайшем рассмотрении становится ясно, с кем они хотят взаимодействовать, а с кем – нет.

В наших клетках царит сложная сеть взаимодействий, в которой многое взаиморегулируется и каждый ген вступает в контакт с большим количеством других компонентов клетки. Чтобы оценить последствия изменения гена, нам нужно научиться лучше понимать этот хаос. Если мы решим вмешаться в геном человека в ближайшее время, речь пойдет не о том, сможем ли мы надежно изменять гены, а о том, что мы действительно хотим изменить.