Апгрейд CRISPR: новый подход к редактированию генов исправит 89% вызывающих болезни мутаций

Обновлённая система CRISPR-Cas9 обеспечит поиск и исправление огромного количества ошибок в генетическом "правописании".

Иллюстрация Global Look Press.

На схеме обозначен РНК-гид pegRNA, фермент Cas9 и обратная транскриптаза (RT).

Иллюстрация Susanna M. Hamilton, Broad Institute Communications.

Технология редактирования генома CRISPR, революционизирующая биологию, получила серьёзное обновление. Новый подход, разработанный в Институте Броуда при Массачусетском технологическом институте, назвали prime editing (что можно перевести и как "простое", и как "первоклассное редактирование").

Специалисты сделали ещё один шаг на пути к "идеальному" редактированию генома. Предложенная методика позволяет добавлять или удалять короткие последовательности ДНК или изменять одну "букву" ДНК на другую с меньшим количеством побочных эффектов.

Напомним, что редактирование генов часто осуществляется при помощи системы CRISPR-Cas, основная задача которой – "найти и заменить".

Технология CRISPR основана на молекулярном противовирусном механизме, подсмотренном у бактерий. При этом существует несколько разновидностей Cas-белков (Cas3, Cas9 и так далее). Это своего рода "ножницы", вырезающие определённые фрагменты изменяемой молекулы.

Ключевым компонентом системы, использованной в новом исследовании, является фермент Cas9. Им управляет короткий фрагмент генетического кода – РНК-гид (или направляющая РНК). Он указывает на нужный участок ДНК, и цепочка разрезается в этом месте.

По сути, Cas9 можно запрограммировать на поиск любой желаемой последовательности. Таким образом, задачу "найти" выполнить, вроде бы, довольно легко. Однако и здесь не обходится без ошибок.

Со второй задачей – "заменить" – у специалистов возникает ещё больше проблем.

Дело в том, что Cas9 обычно используется для введения мутаций, которые могут выключить ген, разрезая ДНК клетки. При этом встроить дополнительный фрагмент ДНК в участок, где был произведён разрез, крайне сложно: метод обычно срабатывает менее чем в одной из десяти клеток.

Есть и другой нюанс. Двухцепочечная структура ДНК позволяет клеткам восстанавливаться после некоторых повреждений: поскольку две цепи дополняют друг друга, клетка может исправить ошибку в одной из них, "ориентируясь" на другую как на шаблон (в таких случаях происходит синтез последовательности, комплементарной оставшейся части нити).

Однако Cas9 разрезает обе цепи. Это часто приводит к тому, что клетка во время "ремонта" ошибается и вводит мутации, которые в итоге могут отключить ген.

Учитывая все эти факторы, специалисты объединили белок Cas9 с другим, известным как обратная транскриптаза (он ускоряет синтез ДНК на матрице РНК в процессе, называемом обратной транскрипцией).

Новый тип РНК-гида, названный pegRNA, направляет "молекулярные ножницы" на целевой участок, где модифицированный фермент Cas9 разрезает только одну нить ДНК.

При этом pegRNA также содержит дополнительные нуклеотиды РНК, кодирующие новую нужную последовательность. Для передачи этой информации элемент обратной транскриптазы считывает данные с "расширения" РНК и "вписывает" соответствующие недостающие нуклеотиды на месте разреза.

Таким образом, клетка сама восстанавливает нужную учёным последовательность "букв" ДНК, используя добавленную к pegRNA цепочку (то самое расширение) в качестве матрицы.

На схеме обозначен РНК-гид pegRNA, фермент Cas9 и обратная транскриптаза (RT).

По сути, учёные сделали CRISPR полностью программируемым. Направляющая РНК теперь определяет как место редактирования, так и вносимое изменение. Этот всё равно, что при работе с текстом на компьютере сперва нажать сочетание клавиш Ctrl-C, чтобы скопировать нужный фрагмент, затем сочетание Ctrl-F, чтобы найти нужный для замены фрагмент, а после нажать сочетание Ctrl-V, чтобы вставить на место фрагмента новый текст.

"Мы не имеем данных о [существовании] другой технологии редактирования клеток млекопитающих, которая предлагает такой же уровень универсальности и точности со столь же небольшим количеством побочных эффектов", – отметил руководитель научной группы Дэвид Лю (David Liu).

В статье, представленной в журнале Nature, команда сообщает о множестве успешных экспериментов по редактированию ДНК в клетках человека и нейронах мыши, включая все 12 возможных способов замены одной "буквы" ДНК на другую, вставку новых сегментов ДНК длиной до 44 "букв", точное удаление до 80 "букв" ДНК и модификации, объединяющие различные типы таких "правок".

К примеру, исследователи работали с мутациями, которые вызывают серповидноклеточную анемию (в этом случае требуется заменить одну букву генетического кода на другую) и болезнь Тея–Сакса (в этом случае требуется удалить четыре буквы ДНК в определённом участке генома).

В заключение отметим, что сегодня известно около 75 тысяч различных мутаций, которые могут вызывать заболевания у людей. По оценкам специалистов, новый подход может исправить 89% из них. (Остальные 11% включают случаи, когда у человека было слишком много копий гена или когда отсутствует весь ген.)

Вероятно, на первых этапах новая методика будет применяться в клинической практике в тех случаях, когда клетки можно извлечь из организма, отредактировать, убедиться в точности и безопасности "правок", а затем вернуть обратно.

Но для начала авторам нового подхода предстоит оптимизировать его для работы с различными типами клеток и провести больше экспериментов с клеточными и животными моделями, чтобы подтвердить эффективность и безопасность "премиальной" методики.

Кстати, ранее "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) рассказывали о других важных достижениях в сфере редактирования генов при помощи системы CRISPR-Cas. Так, недавно учёные представили способ борьбы с многими опасными вирусами при помощи фермента Cas13. Также генетики создали "CRISPR-шредер" для измельчения рекордно длинных участков ДНК, а ещё получили возможность модифицировать десятки, если не сотни генов одновременно.

Писали мы и о других ферментах, способных составить конкуренцию Cas9. Один из них претендует на звание нового "главного редактора" генов, другие используются в инновационных диагностических CRISPR-тестах, а третий порождает при редактировании меньше ошибок.