Способ вырезать куски ошибочных генов из клеток человека: объясняем Нобеля 2020 по химии

Ученые нашли способ изменять гены, чтобы бороться с раком или исправлять "поломанные" гены и лечить другие болезни. Звучит как фантастика. Вдумайтесь: человечество дошло до этапа, когда смогло изобрести удобный инструмент для редактирования "поломанных" генов. И это открывает невиданные горизонты и дает шанс на излечение рака, наследственных генетических болезней и не только.

И именно за это - "разработку метода редактирования генома" - в этом году вручили Нобелевскую премию по химии Эммануэль Шарпентье и Дженнифер Дудни.

"Генетические ножницы CRISPR / Cas9 способны распознать ДНК от вирусов, но Эммануэль Шарпентье и Дженнифер Дудна - награжденные в этом году - доказали, что ими можно управлять, чтобы они могли вырезать любую молекулу ДНК на заранее определенном месте", - говорит официальный твиттер Нобелевской премии .

О фантастике, которая стала реальностью благодаря кропотливой работе ученых, LIGA.расспросила Оксану Петух, докторша биологических наук и генетикиню, которая в Украине работает с системой CRISPR.

У бактерий есть свой иммунитет

Как-то ученые исследовали геном кишечной палочки и нашли очень непонятные в то время генетические структуры - кассеты из коротких последовательностей (спейсеров), разделившиеся палиндромными повторами в геноме бактерий, и не понимали его значения (палиндромы - те, что одинаково читаются и справа налево и слева направо). Японские ученые сделали об этом научную публикацию, и о находке на время забыли.

Гораздо позже группа биоинформатики под руководством уважаемого ученого Евгения Кунина предположили, что эти элементы важны для защиты бактерий от вирусов.

Ведь у людей есть свои вирусы, а у бактерий - свои. И каждый защищается по-разному. Бактерии хоть и одноклеточные организмы, но им тоже надо защищаться от вирусов - фагов, то есть пожирателей бактерий. Так случайно обнаружили CRISPR - адаптивную иммунную систему, которая помогает бактериям переживать атаки вирусов.

У бактерий есть своя иммунная система. Кто мог об этом подумать 10 лет назад? А теперь мы знаем, как это работает. Это колоссальный результат эволюции и очень важно для общего понимания фундаментальных основ биологии и всего живого.

Как появились молекулярные ножницы

Очень многие ученые работали, чтобы выяснить, чем является CRISPR-система и как она работает.

Сначала ученые исследовали первый тип этой системы. Он работает так: есть несколько белков, которые собираются вместе, и каскадный комплекс, активирующий эти белки. Вместе они встречают вирусную нуклеиновую кислоту и кромсают ее как шредер бумагу.

Прошло время, и исследователи выяснили, что есть еще второй тип - один из представителей - CRISPR-CAS 9. Он был исследован гораздо хуже. И нынешняя лауреат Эмманюэль Шарпантье раз работала с ним.

Ученая выделила определенные элементы этой системы, собственно РНК, но не имела необходимого инструментария, чтобы глубже исследовать эту систему, поэтому предложила сотрудничество Дженнифер Дудни.

Ученые взялись выяснить, какой элемент в этой системе за что отвечает и как система уничтожает вирусную ДНК, когда она попадает в бактериальную клетку. Они применили технологии, которые были доступны и отработаны в лаборатории Дудны.

И в 2012 году показали, как работает система, которую мы теперь называем молекулярными ножницами. Более того, смогли адаптировать ее к довольно простому использования. Фактически приручили!

Как работают молекулярные ножницы

Попробуйте представить, что наука способна сделать с нашим телом.

CRISPR-Cas9 состоит из большого белка, который имеет свои молекулярные ножницы. Этот белок окутывает ДНК, расплетает ее цепочку, так что образуется петля из одноцепных ДНК.

А затем разрезаются эти одноцепочечные молекулы, визуально это можно представить как два щипчика расположенных друг напротив друга, и разрушают определенные химические связи в молекуле ДНК, чтобы ниточки развалились и образовался разрыв ДНК.

Навигатором этого белка является специальная направляющая РНК. Она указывает, где ножницы должны резать и направляет белок в это место генома.

Клетка же в это время «думает», что ей грозит опасность и разрывы надо срочно залатать. Часто клетка латает ДНК в режиме аврала, потому что если будет много таких повреждений, она умрет, включив механизм самоуничтожения.

Чаще всего клетка восстанавливает разрывы ДНК с ошибками, и это приводит к нокауту гена - когда ген есть, но он неактивен. И это отличный инструмент для изучения функций гена: мы можем выключать его и включать относительно легко и дешево по сравнению с другими старыми технологиями и смотреть, а насколько этот ген важен.

Эту же технологию можно использовать для встраивания нужной нам информации. Если заставим клетку использовать нужные нам шаблоны для ремонта разрывов ДНК, можем скорректировать мутацию из нескольких букв генетического кода.

Что это значит?

Становятся реальностью мечты, амбиции ученых отредактировать геном с целью лечения болезней, которые возникают в результате ошибок в нашей ДНК: лейкемии, гемофилии, многих наследственных заболеваний. У нас есть инструмент, чтобы делать это направлено и осмысленно.

Благодаря этой системе за одну манипуляцию мы можем одновременно отредактировать сразу несколько генов.

И именно в этом году Нобелевские лауреаты установили функцию и составляющие этого комплекса и предложили, роль РНК в этом комплексе. Показали, что из двух "пазликов" направляющей РНК можно самим синтезировать одну, и сделать такую искусственную РНК чтобы управлять этим процессом и программировать систему CRISPR резать ДНК  именно там где нужно нам.

Эту систему недаром часто сравнивают с армейским ножом, который можно использовать на все случаи жизни. Инструмент, который дали нам лауреаты, позволяет регулировать судьбу клеток.

Для этого на почве мутировавших белков Cas9 - потерявших свои молекулярные ножницы - создали целый ряд генетических инструментов.

Например, есть инструменты, чтобы включить или выключить какие-то гены, чтобы они из фибробластов стали стволовыми клетками или нейронами. Это дает большие возможности в биологии и медицине. Инструменты для визуализации ДНК, для редактирования всего одной буквы генетической информации без внесения разрывов в ДНК.

В этом году с помощью этой технологии провели уникальную коррекцию слепоты, связанной с мутацией определенного гена, прямо в теле пациента.

Это огромный прогресс. Ведь если мы говорим о терапии анемии, заболеваний крови, технически это выглядит так, что у человека берут клетки крови, с его телом выполняют манипуляции CRISPR-ом, и затем подсаживают назад.

Есть еще большое направление работы по терапии вирусных заболеваний с помощью CRISPR. Например, вирусы герпеса, гепатита, Эпштейна-Барра, иммунодефицита человека и другие. Берем клетки у пациента, но работаем с ними вне организма. И возвращаем пациенту "отредактированые" клетки. В этом направлении есть очень хорошие результаты.

В направлении онкологии есть интересные работы, но они сложнее для объяснения. Это вообще синтетическая биология когда мы используем самую клетку или какие-то ее ферменты-белки.

Что дальше и какие есть проблемы

Главное ограничение применения CRISPR-системы в медицине уже и сейчас - "off-target" эффект. Например, система случайно может порезать ДНК не там, где надо, а это серьезная проблема. Ее надо решить перед тем, как предлагать такой метод терапии пациенту.

Если в клетке разорвали ДНК не там, где надо, и разрывов много то клетка может включить механизм самоликвидации. 

Иногда бывает низкая эффективность редактирования.

Есть и другая проблема: как это все "запихнуть" в клетку, чтобы использовать в качестве "шаттла",  с целью доставить это в клетку и чтобы это не было токсичным для пациента.

Использовать ретровирусы для доставки - это потенциальная онкогенность. Использовать другие вирусы, не такие агрессивные? Это снижает эффективность. И таких нюансов много. И сам комплекс CRISPR-CAS9 тоже имеет свою иммуногенность.

Сейчас это отдельное направление, исследователи изучают, как довести работу системы CRISPR к филигранности, как снизить ее токсичность, иммуногенность, и сделать способы доставки эффективными.