Как подружить гены в клетках. Коктейль молодости, светящиеся котики, напечатанные органы и другие прелести науки - Ангелина Владимировна Потапова

«Это первое исследование в мире, доказывающее, что систему генного редактирования CRISPR можно успешно использовать для лечения рака на модельных животных, – заявил профессор Дан Пеер, глава лаборатории точной наномедицины в Университете Тель-Авива. – Следует подчеркнуть, что это не химиотерапия. Нет побочных эффектов, а раковая клетка подвергается такому воздействию, что никогда уже не становится снова активной. Молекулярные ножницы Cas9 отрезают ДНК раковых клеток, нейтрализуя ее и окончательно предотвращая репликацию».

Для того чтобы изучить эффективность применения этой технологии для лечения рака, профессор Пеер и его команда выбрали два вида рака из самых смертельных: глиобластому и метастатический рак яичников.

Глиобластома – наиболее агрессивный тип рака мозга, ожидаемая продолжительность жизни при котором составляет 15 месяцев после постановки диагноза, а выживаемость на протяжении пяти лет – всего лишь 3 %.

Рак яичников – частая причина смерти среди женщин и самый летальный вид рака женской репродуктивной системы. У большинства пациентов заболевания диагностируются на поздней стадии, когда метастазы уже распространились по организму. Несмотря на прогресс в этой области, такой рак побеждает всего треть пациентов.

Ученые продемонстрировали, что всего одна процедура терапии липидными наночастицами и CRISPR удваивает среднюю продолжительность жизни у мышей с глиобластомой, увеличивая шансы на выживание до 30 %. Лечение метастатического рака яичников повысило выживаемость грызунов до 80 %. Исследователи отмечают, что такие результаты при лечении этих двух агрессивных видов рака открывают множество новых возможностей для использования технологии при борьбе с другими видами рака.

В 2020 году технология получила особое признание, нобелевскими лауреатами по химии стали Дженнифер Дудна и Эммануэль Шарпантье. Премию присудили за развитие метода редактирования генома CRISPR/Cas9 [19].

Однако наука не стоит на месте, и в мае 2021 года исследователи из Гарвардского института создали новый инструмент редактирования генов, который может позволить ученым проводить миллионы генетических экспериментов одновременно. Они назвали этот метод рекомбинированием ретронов, в нем используются сегменты бактериальной ДНК, которые могут создавать фрагменты одноцепочечной ДНК [20].

Этот метод основан на защитном механизме бактерий – ретронах.

Ретрон – это небольшой фрагмент одноцепочечной ДНК, который обоими концами прикреплен к фрагменту РНК. Такая молекула получается в результате считывания ДНК с матрицы РНК (обратной транскрипции) при помощи ретротранскриптазы.

Главное потенциальное применение геномного редактирования с использованием ретронов – внесение небольших мутаций. Такой подход можно использовать, например, для создания большого количества генетических вариантов, чтобы имитировать их влияние на приспособленность и эволюцию. Чтобы имитировать эволюцию каждого варианта из одного генома, биологи предложили фрагментировать этот геном и поместить фрагменты в ретроны, после чего внести каждый вариант в отдельную клетку. Ученые провели такой эксперимент на кишечной палочке и показали, что в ее геноме действительно можно выделить мутации, которые дают преимущество в ходе эволюции – устойчивость к антибиотикам [20].

«Воскрешение» мамонтов

В сентябре 2021 года биолог Джордж Черч и предприниматель Бен Ламм решили создать компанию, которая будет «воскрешать» мамонтов, а если точнее – получать генетически отредактированных морозоустойчивых слонов с признаками мамонтов [21].

Уже сразу после аннонса этот американский стартап получил 15 миллионов долларов на «превращение слонов в мамонтов».

На сайте копании Colossal отметили, что этих животных корректнее называть не мамонтами, а «морозоустойчивыми слонами со всеми основными биологическими признаками шерстистого мамонта». Иначе, видимо, реально сильно попахивает воскрешением.

Эпигенетический редактор

Мы уже выяснили, что изменение последовательности ДНК – очень полезный механизм для лечения некоторых заболеваний, которые не поддаются стандартной терапии. Однако не все так просто. Все мы несовершенны, как и система редактирования генов CRISPR/Cas9. Иногда при работе она задевала важные участки ДНК клеток, что приводило к ошибкам при их последующем делении.

Доценты Калифорнийского университета Люк Гилберт, Вайсман Джеймс Нуньес и их команда разработали новый метод, который вызывает стабильные изменения активности генов, чтобы его можно было наследовать через сотни клеточных делений, а также является полностью обратимым! Его назвали CRISPRoff, и он способен отключать гены без повреждения нитей ДНК, а значит, и без генетических трансформаций материала [22]! Изменения, сделанные с помощью новой технологии, передаются следующим поколениям клеток, и самое главное – их можно отменить в любой момент. Описать такой механизм можно словом «эпигенетический», что означает дословно «над генами». Изменения при нем происходят не в процессе редактирования структуры кода. С помощью химических превращений удается регулировать степень активности, а не последовательность нуклеотидов в ДНК.

Эпигенетическое отключение генов останавливает считывание кода с ДНК и синтез патологических белков, а значит, может препятствовать развитию заболеваний. Как и любая новая технология, метод требует более тщательного изучения.

Но бывают случаи, когда необходимо вмешаться в саму структуру ДНК. Для этого существует метод праймированного редактирования.

Как это работает? Для этого немного вспомним биологию. Есть клетка, в ее ядре содержится ДНК, в которой содержится информация о синтезе белков. Есть вирус, он содержит нуклеиновую кислоту: ДНК или РНК. Вирус заставляет клетку копировать себя.

Для этого вирус проникает в клетку, включает свой фермент – обратную транскриптазу – и «вставляет» нужную последовательность своего кода в ядро клетки, перед этим сделав перевод с языка РНК на язык ДНК.

Обратная транскрипция – это процесс образования двуцепочечной ДНК на основании информации в одноцепочечной РНК, осуществляется при помощи фермента – обратной транскриптазы.

Так вот, для редактирования генома используют тот самый принцип обратной транскриптазы, он позволяет сделать точечные замены нуклеотидов или целых участков. Этот метод работает лучше, чем стандартный CRISPR/Cas9. Исследования опубликованы в журнале Nature в 2019 году [23].

В основе стандартной методики CRISPR/Cas9 лежит разрезание ДНК: Cas-9 нуклеаза разрывает связи в обеих цепях ДНК. Далее она сшивает соседние нуклеотиды, беря информацию о нужной замене из соседней хромосомы или из последовательности, которую предоставляет экспериментатор. Такие заимствования могут быть опасными и смертельными для клетки. Существует метод замены оснований, при нем не происходит двуцепочечного разрыва, но варианты редактирования очень ограничены.

С этим под руководством Дэвида Лю решила разобраться группа ученых из Гарвардского университета, разработав метод прайми-рованного редактирования. В чем его суть?

Удлиненная гидовая РНК (ПргРНК) способна выполнять сразу две функции: определять конкретные участки ДНК, нуждающиеся в исправлении, и нести информацию об изменениях, которые нужно произвести.

Cas9 садится на ДНК, расплетает ее на две части. Второй фермент ПргРНК прилипает на противоположную нить и защищает ее. На рабочей нити Cas9 делает одноцепочечный разрыв, а ПргРНК вторым концом присоединяется к месту разрыва. К белку Cas9