Технология редактирования генов с помощью системы CRISPR-Cas9 может привести к множеству нежелательных мутаций. К такому выводу пришли ученые из Медицинского центра Колумбийского университета. «Лента.ру» рассказывает о новом исследовании, результаты которого опубликованы в журнале Nature Methods.
CRISPR/Cas9 — молекулярный механизм, существующий внутри бактерий и позволяющий им бороться с вирусами бактериофагами. CRISPR — это находящиеся внутри ДНК микроорганизма «кассеты», которые состоят из повторяющихся участков и уникальных последовательностей — спейсеров. Последние представляют собой фрагменты вирусной ДНК. По сути дела, CRISPR можно представить как банк данных, в которой содержится информация о генах патогенных агентов. Белок Cas9 использует эту информацию, чтобы правильно идентифицировать чужеродную ДНК и обезвредить ее, разрезав в определенном месте.
Точность CRISPR/Cas9 позволяет использовать ее как инструмент редактирования генов, который гораздо эффективнее существовавших ранее методов. Исследователи внедряют в клетку, в геноме которой нужно произвести изменения, ДНК-кассету, содержащую ген белка Cas9 и участок, кодирующий специальную направляющую молекулу РНК (sgRNA). Последняя может прикрепляться к определенному месту в геноме, указывая Cas9, где нужно произвести разрез. После этого можно вставить в разрыв нужный ген или группу генов, создав модифицированную клетку.
Преимущество CRISPR/Cas9 в том, что с помощью нее можно точно внести изменения, уменьшив число нежелательных разрезов (внецелевых эффектов) в других частях генома. Кроме того, она позволяет экономить время и деньги — в отличие от другого широко используемого метода, в котором используются ферменты нуклеазы. Система CRISPR больше подходит для ситуаций, когда надо исправить сразу несколько дефектных генов, поскольку для этого необходимо лишь синтезировать соответствующие sgRNA. В случае нуклеаз для каждого конкретного ДНК-участка необходимо собрать собственный специфичный фермент, что дольше и дороже.
Технология быстро стала популярной, причем не только среди ученых, но и в массовой культуре. Например, она фигурирует в сюжете некоторых серий нового сезона «Секретных материалов» как оружие массового поражения. Свое беспокойство выразил и директор национальной разведки США Джеймс Клэппер, который считает, что генная инженерия несет в себе угрозу. Однако опасность представляет любая технология, если ею неправильно пользоваться. Например, неумелое и частое использование антибиотиков, которые спасли жизни сотням тысяч людей, провоцируют появление супербактерий, устойчивых к противомикробным препаратам.
Несмотря на вымысел, CRISPR/Cas9 саму по себе, как и антибиотики, нельзя использовать в качестве оружия уничтожения людей. Но можно создать модифицированные организмы, например, комаров, которые будут распространять дефектный ген в своей популяции, что может привести к сильному уменьшению числа кровососущих насекомых. Биологи призывают крайне осторожно относиться к таким способам применения.
В то же время, считают многие биотехнологии, технология позволит успешно лечить опасные заболевания, в том числе вызванные генетическими причинами. Например, в конце 2016 года в Китае уже проводили эксперименты по лечению агрессивного рака легких. У пациента изъяли иммунные клетки и отключили в них ген, подавляющий борьбу со злокачественной опухолью. Процедура модификации генома прошла успешно, и клетки были вновь внедрены в организм больного.
У CRISPR/Cas9 есть свои недостатки. Так, разорванная молекулярными «ножницами» ДНК теряет часть последовательности, что препятствует «точечному» редактированию, то есть замене одного единственного нуклеотида. Биотехнологи создают улучшенные версии системы, преодолевая эти ограничения. Например, южнокорейские исследователи соединили фермент Cas9 с другим белком — цитидиндезаминазой. Это «научило» CRISPR/Cas9 производить однонуклеотидные замены.
Однако есть и другая проблема. Дело в том, что эта технология тоже может вносить нежелательные мутации, и ученые пока не вполне понимают, как это можно устранить. Если говорить о лечении людей, риск пока неоправданно высок: побочные изменения в геноме могут сильно навредить здоровью.
Определенные алгоритмы могут предсказать, в каких местах генома могут быть произведены лишние замены. Они очень хорошо работают, когда CRISPR модифицирует отдельные клетки или ткани, но не используются, если речь идет о живом организме.
Например, биотехнологи из Колумбийского университета использовали технологию для удаления мутаций, провоцирующих возникновение пигментного ретинита. Для этого у пациента были взяты клетки кожи, которые перепрограммировали в стволовые. Затем с помощью CRISPR-кассеты дефект был исправлен. Такие модифицированные клетки могут быть превращены в клетки сетчатки и пересажены пациенту для восстановления зрения.
Кроме того, этими же учеными были созданы генетически модифицированные мыши, которым CRISPR вводилась еще на стадии зиготы. Исследователи затем секвенировали (определили последовательность нуклеотидов) весь геном мышей. Хотя CRISPR успешно исправила ген, дефект в котором вызывал слепоту, она также внесла более 1500 однонуклеотидных мутаций и более 100 делеций (удалений коротких участков) и вставок. Ни одно из этих нежелательных изменений не было предсказано компьютерными алгоритмами.
Модификация генома — хороший способ терапии наследственных заболеваний, которые на данный момент являются неизлечимыми. По словам Стивена Цанга (Stephen Tsang), он и его соавторы считают важным, чтобы ученые, работающие в области генной инженерии, знали о потенциальной опасности нежелательных мутаций, возникающих при редактировании ДНК. К таким мутациям относятся как нуклеотидные замены в кодирующих областях генома, так и в некодирующих, где расположены регуляторные элементы (они управляют активностью генов).
Несмотря на мутации, мыши чувствовали себя хорошо. Биотехнологи сохраняют оптимизм в отношении генной терапии, поскольку любое медицинское вмешательство имеет побочные эффекты. Необходимо лишь знать, что они собой представляют. В будущем это позволит улучшить технологию, чтобы свести внецелевые эффекты к минимуму.