Технологии редактирования генов на наших глазах переживают бурный рост. Если совсем недавно учёные нашли способ существенно повысить точность при удалении или замене небольших участков ДНК, то теперь речь об изменении отдельных "букв" (нуклеотидов) генетического кода прямо в живых клетках.
Объясним, зачем им нужна столь высокая точность. Ультрафиолет, рентгеновское излучение, высокая температура и воздействие некоторых химических веществ могут вызывать в организме точечные мутации, в ходе которых в том или ином гене одна буква генетического кода (всем известные А, Г, Ц и Т) меняется на другую. Учитывая, что геном человека состоит из трёх миллиардов пар азотистых оснований, изменение одного из них может показаться незначительным. Но зачастую на деле последствия таких ошибок оказываются весьма серьёзными.
"Выясняется, что большинство генетических изменений, связанных с заболеваниями человека, являются точечными мутациями, – говорит профессор химической биологии Дэвид Лю (David Liu) из Гарвардского университета. – Но в настоящее время методы генного редактирования не могут эффективно исправлять такие мутации без риска нарушить работу гена".
В основу новой технологии лёг самый современный инструмент редактирования генов CRISPR/Cas9. Обычно учёные используют этот молекулярный комплекс для "выключения" неисправных генов. Для этого они "натравливают" фермент Cas9 на определённый участок ДНК, после чего тот разрезает цепочку и нарушает работу гена, на участке которого был проведён разрез.
Кроме того, исследователи научились прикреплять к комплексу шаблон, по которому клетки затем сами восстанавливают повреждённый участок. Это позволяет вставлять на месте разреза совершенно новые комбинации кода и добавлять генам новые свойства. Но пока что точность внесения правок в ДНК живых клеток остаётся очень низкой.
В новом исследовании Лю и его коллеги искали способ сделать точечные изменения в генах, не повреждая их. Для этого они сначала отключили фермент Cas9, чтобы он не мог совершать разрез, и добавили к молекулярному комплексу фермент, способный химическим путём превращать нуклеотид цитозин (Ц) в уридин (нуклеотид урацил+сахар). Последний, как правило, присутствует в молекуле РНК, но в цепочке ДНК он считывается как тимидин (нуклеотид тимин+сахар) и соответствует одному из основных азотистых оснований – тимину (Т).
При внедрении в клетку усовершенствованная система под руководством направляющей РНК находила в геноме место с ошибкой. Но вместо молекулярных ножниц в работу включался фермент, который вносил минимальную правку без повреждения цепочки.
Впрочем, у нового метода есть свои недостатки: первая версия нового инструмента оказалось эффективной лишь в экспериментах с молекулами ДНК, выделенными из клеток (44%), а при работе внутри клеточного ядра успешно внести изменения удавалось лишь в 7% случаев. Кроме того, фермент изменял нуклеотид только на одной из двух цепочек ДНК.
Тогда учёные использовали ещё один фермент, меняющий основание гуанин (Г) на аденин (А), и внесли ряд дополнительных изменений, которые позволили существенно повысить точность правки в клетках мышей (до 75%). Несмотря на то, что в культурных клетках человека эффективность инструмента по-прежнему составляет не более 10%, результаты работы команды Лю вызвали большой интерес. Так, в культурах клеток с раковой мутацией в гене эффективность составила порядка 8%, что непосильно для обычного комплекса CRISPR/Cas9.
Как сообщается в статье, опубликованной в журнале Nature, учёные также смогли отредактировать в мышиных клетках мутацию, связанную с болезнью Альцгеймера.
Сегодня науке известны сотни других мутаций, которые могут быть исправлены простой заменой цитозина на уридин. Но команда не собирается останавливаться на достигнутом и продолжает подбирать ферменты для изменения всех букв генетического кода.
И если до полноценного лечения генетических заболеваний человека с использованием новой системы ещё далеко, Лю надеется, что уже в скором времени с её помощью можно будет легко вносить в ДНК лабораторных животных мутации, ассоциируемые с человеческими заболеваниями. Это пригодится для лучшего моделирования болезней и разработки новых более эффективных методик их последующего изучения.
