CRISPR произвел революцию в редактировании генов. Теперь его набор инструментов расширяется

CRISPR
                CRISPR (= кластеризованные регулярные межпространственные короткие палиндромные повторы) + фрагмент ДНК, E.Coli. Предоставлено: Mulepati, S., Bailey, S .; Астроян/Википедия/CC BY 3.0

Инструмент редактирования генов, который произвел революцию в биологии, становится еще более мощным.
                                                                                       

CRISPR, как система известна, позволяет ученым нацеливать и обрезать определенную последовательность букв на нити ДНК с беспрецедентной точностью. Это открыло новые возможности для лечения генетических заболеваний, помогая растениям адаптироваться к глобальному потеплению и даже предотвращая распространение малярии комарами.

CRISPR состоит из двух основных компонентов. Первый — это фрагмент РНК, который определяет предопределенную последовательность ДНК в геноме организма, которую ученые хотят изменить. Второй тип белка называется ферментом, который прикрепляется к целевому участку ДНК и сращивает его.

Cas9 был рабочим ферментом, потому что он выполняет аккуратный, тупой разрез. Но в последние несколько лет ученые начали искать — и находить — альтернативные системы CRISPR, которые работают с ферментами, отличными от Cas9.

«Cas9 — мощный инструмент, но у него есть ограничения», — сказал пионер CRISPR Фен Чжан, биоинженер в MIT и Broad Institute. «У каждого из этих белков есть недостатки и сильные стороны, и вместе они помогают нам создать гораздо более универсальную коробку инструментов».

Некоторые из новых ферментов Cas по-разному резают ДНК, что повышает вероятность того, что определенные правки сработают. Другие ферменты меньше, что позволяет ученым легче вставлять их в клетки.

«Разнообразие белков CRISPR исключительно велико», — сказал Бенджамин Оукс, предприниматель из Инновационного института геномики, совместного проекта Калифорнийского университета в Беркли и Калифорнийского университета в Сан-Франциско. «Они развивались на протяжении тысячелетий, и природа разработала сотни, если не тысячи, которые могут работать».

В природе бактерии используют эту технологию в качестве защитного механизма для обнаружения и уничтожения атакующих вирусов.

Бактерии хранят последовательности вирусной ДНК в своей собственной ДНК, отмеченные повторяющимися последовательностями букв. Отсюда и название системы CRISPR, которое обозначает Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repets. (Первые обнаруженные системы CRISPR действительно были частично палиндромными, однако позже ученые обнаружили, что это не всегда так.)

CRISPR-Cas9 уже зарекомендовал себя как чрезвычайно полезный инструмент для широкого спектра генетических изменений, включая включение и выключение генов, их полное отключение, введение новой ДНК в геном и удаление ненужной ДНК.

Но ученые задались вопросом, что другие ферменты CRISPR могут принести в таблицу генетического редактирования.

CRISPR-Cas12a была первой системой после CRISPR-Cas9, которая использовалась для редактирования генов в лаборатории. Недавнее исследование двоюродного брата Cas12a Cas12b показало, что этот вариант может также редактировать геном человека, предоставляя ученым еще один инструмент для борьбы с генетическими заболеваниями.

Другая работа пролила свет на набор дополнительных многообещающих ферментов CRISPR, включая Cas13, Cas14 и CasY. Последний кандидат, CasX, был подробно описан в понедельник в исследовании Оукса и других в журнале Nature.

Сравнение систем CRISPR немного похоже на сравнение фруктов, сказал Чжан. Если ферменты Cas9 являются яблоками, то ферменты Cas12 могут быть сливами — все еще съедобными и вкусными, но также совершенно другими.

И как фрукты, эти разные системы имеют свои вариации. Так же, как есть подвиды слив, существует также большое разнообразие ферментов Cas12.

Эти различия проявляются несколькими способами. Например, в отличие от CRISPR-Cas9, который разрезает обе нити ДНК в одном и том же месте, CRISPR-Cas12a и CRISPR-CasX делают так называемый ступенчатый разрез, так что две нити разделяются в разных местах.

Существуют доказательства того, что ступенчатый разрез повышает вероятность того, что клетка примет новый участок ДНК в месте сплайсинга, говорит Томас Клементс, генетик из Университета Вандербильта в Нэшвилле. Поэтому, если цель состоит в том, чтобы добавить ДНК в клетку, система, которая использует Cas12a и, возможно, однажды CasX, может быть лучшим выбором, чем Cas9, сказал он.

Размеры разных белков CRISPR также различаются. В семействе Cas9 есть ферменты, состоящие из 1350 нуклеотидов (основной структурной единицы ДНК) и других, которые содержат только 1000 нуклеотидов. CasX и Cas12a еще меньше.

Размер является важным критерием, потому что меньшие молекулы легче попасть в клетки, чем более крупные, говорит Евгений Кунин, который изучает эволюционную геномику в Национальных институтах здоровья.

«В некотором смысле, существует гонка, которая придумала бы самый маленький эффективный редактор генома, чтобы вы могли объединить его с другими вещами, которые вы можете упаковать в вирусный носитель» для доставки внутри клетки, — сказал он. «Размер имеет решающее значение.»

Охота за альтернативами Cas9 заставляет ученых исследовать планету.

Джиллиан Бэнфилд, геомикробиолог из Калифорнийского университета в Беркли, обнаружила, что CasX и CasY встроены в ДНК бактерий, населяющих подземные водоносные горизонты.

Одна из самых ранних известных форм Cas12b была обнаружена в чистой комнате, где был собран космический корабль НАСА «Викинг».

Банфилд сказал, что ученые также отбирают образцы организмов, которые обитают в озерах, реках и морской среде, а также в местах, расположенных на сотни футов ниже поверхности Земли, чтобы увидеть, какие изобретательные генные редакторы бактерий могут там укрываться.

«Мы исследуем все разнообразие обитаемой на Земле окружающей среды, чтобы мы могли исследовать организмы на древе жизни», — сказала она.

Уже есть тысячи известных вариантов Cas9 и даже больше вариантов Cas12, которые еще предстоит изучить и охарактеризовать. Есть также исследователи, которые работают с известными системами CRISPR, чтобы сделать их более эффективными.

«Существует много возможностей для изучения того, как мы можем расширить набор инструментов CRISPR», — сказал Фэн. «Чем больше вариантов у людей, тем больше вероятность того, что мы сможем лечить как можно больше болезней».

Похожие новости

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *