CRISPR — технология, которая изменит мир?

Если бы у вас была возможность уничтожить рак, избавить мир от ВИЧ-инфекции или истребить вид комаров, переносящих вирус Зика, вы бы сделали это?? История об удивительном методе редактирования генома CRISPR, открывающем множество замечательных возможностей для человечества

CRISPR — новый метод редактирования генов, позволяющий ученым вырезать нежелательные фрагменты ДНК с хирургической точностью, способен на это. И именно эта технология может радикально изменить наш привычный мир уже в самом ближайшем будущем.

Данная технология редактирования генов может не только значительно развить сферу медицины, но и избавить нас от известных проблем продовольственного снабжения. Возможности и потенциал CRISPR кажутся бесконечными, поэтому мы решили объединить наиболее интересные из них в одном материале.

Что такое CRISPR

CRISPR (также известный как «CRISPR-Cas9») — уникальный инструмент для редактирования генома. Позволяет генетикам и медицинским исследователям редактировать части генома путем удаления, добавления или изменения последовательных участков ДНК. Более того, CRISPR быстрее, дешевле и точнее, чем все предыдущие известные методы редактирования ДНК и имеет широкий спектр потенциальных применений.

На данный момент технология CRISPR является самым простым, универсальным и точным методом генетической манипуляции. Мир науки потрясен от одного только потенциала CRISPR, и это нисколько не преувеличено.

История CRISPR началась в 1987 году, когда японские ученые, изучавшие кишечную палочку Escherichia coli, обнаружили в ее ДНК необычные повторяющиеся последовательности. Биологическое значение последовательностей тогда выяснить не удалось, однако позже аналогичные фрагменты были найдены в геноме других бактерий и архей. Последовательности получили название CRISPR — короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами (Clustered Regular Interspaced Short Palindromic Repeats).

Некоторое время это открытие было интересно только микробиологам. Однако в 2011 году все изменилось, - биологи Дженнифер Дудна и Эммануэль Шарпантье решили точнее изучить механизм CRISPR. Они обнаружили, что белок Cas9 можно обмануть, дав ему искусственную РНК. Белок, несущий такую РНК, будет искать генетические фрагменты, совпадающие с тем, что он несет на себе. Обнаружив соответствие с чужой ДНК, он начнет измельчать ее, независимо от того, кому она принадлежит — вирусу, растению или животному. В 2012 году в своей статье Дудна и Шарпантье отметили, что этот механизм можно использовать для разрезания любого генома в нужном месте.

В феврале 2013 года было доказано, что CRISPR/Cas9 можно использовать для редактирования ДНК в культуре клеток мышей и человека. Более того, удалось выяснить, что при использовании CRISPR-технологии появляется возможность не только удалять ненужные гены, но и вставлять на их место другие. Для этого достаточно добавить ферменты, восстанавливающие ДНК.

Идея генной модификации не нова, и различные ее методики существуют уже много лет. Однако CRISPR превосходит все известные до сих пор технологии благодаря доступности и точности. Редактирование одного гена обойдется всего в $75 и займет несколько часов. И, что немаловажно, технология работает с любым организмом на Земле.

Как это работает?

Система CRISPR-Cas9 состоит из двух ключевых молекул, которые вводят изменение (мутацию) в ДНК. Это:

Фермент, называемый «Cas9». Данная молекула CRISPR действует как пара «молекулярных ножниц». Cas9 может вырезать нити ДНК в определенном месте в геноме, чтобы затем можно было добавить или удалить фрагменты ДНК.

Часть РНК, называемая «гРНК» (гидовая РНК). гРНК состоит из небольшого фрагмента предварительно разработанной последовательности РНК (длиной около 20 оснований), расположенного в более длинном участке ДНК. Этот участок связывается с ДНК и РНК для «направления» Cas9 в правую часть генома.

Так что же может CRISPR и почему эта технология изменит мир?

Укрепление продовольственной культуры

Методы технологии CRISPR позволяют ученым навсегда забыть о ГМО-продуктах и слабой пищевой культуре, подверженной ошибкам и различным заболеваниям. С помощью CRISPR можно вывести пищевую промышленность на новый уровень — наращивать производство, одновременно избавляя продукты от трифосфатов (пищевой стабилизатор, признанный вредным для здоровья человека). В таком случае также отпадает необходимость в использовании вредных пестицидов — препаратов для борьбы с вредителями растений.

Министерство сельского хозяйства США отрицательно отреагировало на продукты, подверженные редактированию CRISPR. Жители тем временем встали на защиту своих урожаев и выразились против генетически модифицированных продуктов. Тем не менее, CRISPR-продукты — это не ГМО. Посредством этой технологии можно удалять потенциально опасные гены и делать продукты здоровыми, качественными и долговечными.

Уничтожение рака

Возможность редактирования генов человека с помощью CRISPR по-прежнему является очень противоречивой. Однако, эта технология может улучшить иммунотерапию рака и даже позволит вырезать гены, вызывающие раковые клетки, прежде, чем они начнут наносить смертельный ущерб человеческому телу.

В 2016 году Национальные институты здравоохранения начали исследование по уничтожению трех различных видов рака на людях через технологию редактирования генов CRISPR. Проект получил поддержку интернет-миллиардера Шона Паркера (Sean Parker) и был возглавлен опытными учеными из Университета Пенсильвании.

Результаты исследования станут известны не скоро, поскольку проект все еще ждет одобрения со стороны FDA (Управление по контролю за качеством пищевых продуктов и лекарственных препаратов).

Избавление от комаров с вирусом Зика

Ученым уже удалось реализовать возможность искоренения комаров вида Aedes Aegypti (желтолихорадочный), которые могут распространять вирус Зика. Технология CRISPR же способна уничтожить целый вид в одном поколении.

Несмотря на то, что CRISPR может уничтожить вредоносный вид комаров прямо сейчас, идея эта является довольно спорной. Существует единственный, но очень существенный аргумент против использования редактирования генома для комаров — это создание непредвиденной экологической катастрофы. Человечество еще не полностью понимает, какую роль играют москиты в окружающей среде, поэтому просто убрать их как вид нельзя. Иначе последствия неизбежны, и самое страшное — никто не знает, что случится.

Второй возможный вариант развития событий — использование CRISPR может привести к ошибке и непреднамеренно создать новый, усовершенствованный вид супер-комаров. Например, они будут абсолютно невосприимчивыми к современным технологиями. Или дефектная ДНК может каким-то образом перейти к другим насекомым и, опять же, вызвать экологическую катастрофу.

Лекарства от всех болезней

Потенциал технологии CRISPR позволяет говорить о создании усовершенствованных лекарственных препаратов со способностью модифицирования клеток в организме. Примерное представление возможностей таких лекарств — лечение практически всех болезней, простых и сложных, редких и унаследованных.

В прошлом году компания Bayer заключила сделку с CRISPR Therapeutics — стартапом команды новаторов, открывших технологию Cas9 Emmanuelle Charpentiere для создания лекарств с использованием этой технологии. Вскоре и другие фармацевтические компании открыли свои двери для проведения подобных исследований по создания эффективнейших лекарств. Как итог — CRISPR вполне может устроить революцию в фармацевтической промышленности.

Исцеление слепых

Осенью 2016 года ученые опубликовали первое исследование, в котором CRISPR применяется для исцеления слепоты. Инструмент для редактирования генов использовался на крысах для замены некачественной генетики, вызывающей слепоту, с помощью рабочего набора здоровых генов.

Исследование, проведенное в «Институте Солк» в Калифорнии (Salk Institute for Biological Studies), привело к частичному восстановлению зрения.

Также в другом исследовании, которое проводилось Колумбийским и Айовским университетами в начале 2016 года, ученые смогли показать, что можно успешно вылечить человека с врожденным генетическим дефектом зрения используя технологию CRISPR.

Таким образом, через редактирование генома человеку можно восстановить зрение. В реальности это звучит как чудо, но это более чем возможно.

Устранение ВИЧ-инфекции

В настоящее время людей со смертельной ВИЧ-инфекцией лечат с помощью токсичной смеси антиретровирусных препаратов. Они подавляют вирус, тем самым не давая ему себя реплицировать и превратиться в полномасштабный СПИД.

CRISPR может полностью устранить ВИЧ, что доказало недавнее исследование («Molecular Therapy»). Исследование с участием мышей показало, что CRISPR можно запрограммировать на уничтожение любого генетического кода в носителе с невероятной точностью. Речь идет и о возможном удалении первичной ДНК ВИЧ-1 из организма. В конечном счете, вырезав ДНК вируса, можно навсегда остановить поражение клеток иммунной системы и приобретение иммунного дефицита.

Следующим этапом исследования стало повторение процесса на приматах - https://www.sciencemag.org/news/2019/07/china-s-crispr-push-animals-promises-better-meat-novel-therapies-and-pig-organs-people. И исследования касались не только проблем ВИЧ.

Китайские исследователи создали пять клонов обезьян с использованием CRISPR для редактирования гена, который нарушает циркадные ритмы, вызывающие нарушения сна, диабет и рак.

В Китае сейчас есть как минимум четыре группы исследователей CRISPR, занимающихся редактированием генов с помощью больших колоний обезьян. Но исследования проводятся не только на приматах: китайские исследователи составили длинный список первых CRISPR-модифицированных собак, мышей, крыс, свиней и кроликов. Эти исследования обещают более качественное мясо, устойчивый к болезням скот, а также новые методы лечения болезней человека и возможность получать органы для трансплантации.

Удаление генетических заболеваний до рождения

В начале августа 2017 года ученые из Университета здоровья и науки штата Орегон (Oregon Health and Science University) опубликовали документ, в котором изложили способ успешного использования CRISPR для уничтожения генетически унаследованной сердечной мутации у эмбрионов человека. Проще говоря, еще даже не родившийся ребенок может появиться на свет без унаследованных заболеваний.

Зародышам разрешалось расти в течение нескольких дней, но технология дала положительный результат. Это был первый случай, когда ученые использовали CRISPR на человеческих эмбрионах. Тогда же ученые смогли впервые продемонстрировать, что технология редактирования генома может производить здоровые эмбрионы.

Представляете себе мир, в котором люди рождаются без болезней? Ученые говорят, что CRISPR — ключ к такому будущему.

CRISPR – действительно удивительная технология. Несмотря на то, что сейчас на ее базе в основном проводятся только тестирования, но и они уже дают невероятные результаты. И они вселяют надежду для лучшего будущего человечества.

Статья написана по материалам: trashbox.ru и sciencemag.org