Исследователи из Японии обнаружили, что в геноме бактерий содержатся участки, которые играют роль своеобразной иммунной системы, защищающей от бактериальных вирусов — бактериофагов. В 2012 году ученые научились модифицировать систему таким образом, чтобы редактировать с ее помощью геном других организмов.
Ускорить эволюцию в миллион раз
Операция редактирования производится с помощью молекулы РНК (CRISPR), в которую можно вставить желаемый участок узнавания в геноме, а также участок взаимодействия с белком-ферментом Cas9, способный разрезать ДНК в клетке другого организма. В ходе такого вмешательства РНК направляет в нужное место фермент, который вносит разрыв в молекулу ДНК.
После этого природная система сшивает разрыв, при этом могут теряться или добавляться нуклеотидные остатки. Генетическая информация в месте разреза изменяется, ученые добиваются мутации в заранее выбранном участке ДНК. Однако самое главное — такие операции могут носить направленный характер.
По словам Ольги Донцовой, возглавляющей кафедру химии природных соединений химического факультета и отдел структуры и функций РНК НИИ физико-химической биологии МГУ, геномное редактирование позволит создавать новые сорта растений, породы сельскохозяйственных животных с заданными характеристиками, лечить редкие генетические заболевания у людей.
Донцова считает технологию CRISPR/Cas «прорывом», так как она основана на естественной системе, существующей у бактерий. Фактически, она повторяет мутации, которые могут быть в природе. После доклада академика президент Владимир Путин поставил задачу в кратчайшие сроки разработать программу геномных исследований.
«Это прорыв, можно сказать, третья революция в молекулярной биологии после открытия спирали ДНК Уотсоном и Криком и расшифровки генома. CRISPR/Cas позволяет легко и быстро манипулировать с геномом на "природном уровне"», — заявила Донцова, которая уточнила, что такие манипуляции позволят победить самые грозные болезни.
Например, у некоторых скандинавов наблюдается мутация, в результате которой они не заражаются ВИЧ. Технология позволяет внести направленные мутации в соматические клетки уже больного человека, что поможет остановить распространение опаснейшего вируса по клеткам организма.
При этом генетическими манипуляциями можно не только менять геном человека — ученые смогут заставить бактерии, дрожжи и разные клеточные культуры вырабатывают нужные нам вещества, например лекарства или продукты. Сама процедура достаточно простая, однако нужно заранее знать, какой участок генома требует корректировки.
Как работает редактор генома
В процессе редактирования геномный редактор разрезает обе цепи в спирали ДНК, после чего клетка начинает подавать сигналы о разрыве. Сигнал распознает особая ферментативная система негомологического соединения концов и начинает сшивать ДНК. Она либо отрезает от цепочек несколько лишних нуклеотидных остатков, либо их добавляет.
В зависимости от того, на сколько нуклеотидов изменился фрагмент ДНК, ген может выключиться, либо возникает мутация, которая происходят с помощью замены одной аминокислоты на другую. Редактор позволят выключить вредный ген или сделать точечную мутацию в нем, чтобы превратить в безопасный или полезный.
При этом новая технология не предполагает встраивания в организм чужеродного гена, как это нередко происходит с генно-модифицированными продуктами. Инструмент не делает сверх того, что не могла бы сделать сама природа, подчеркивает Донцова. Единственное отличие — в скорости изменений, которые превосходят естественную эволюцию в тысячи и миллионы раз.Китай начал массовое редактирование генома людей
Впрочем, отключение дефектного гена у конкретного человека вылечит только его, однако передать полезную мутацию потомкам он не сможет. «Чтобы изменить геном и в половых клетках, нужно вторгаться в эмбрион. Но я считаю, что изменять геном эмбриона человека неэтично. Нельзя этого делать», — уточняет Донцова.
Однако в случае с животными подобные манипуляции возможны. Такие эксперименты проводят в лаборатории геномного редактирования МГУ под руководством профессора Петра Сергиева. Чтобы получить породу, геном редактируют на уровне эмбрионов. Такое направление позволит вывести эффективные сорта растений или породы сельскохозяйственных животных.
Сейчас России отстает от Запада в сфере генной инженерии. «В области фундаментальной науки эти новые идеи мы быстро освоили, а вот с точки зрения практики немножко отстаем. Но если будет государственная программа, то и практические результаты, безусловно, появятся», — заключает Донцова.
