3 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Скальпель против топора: редактирование генома вышло на невероятный уровень точности

Скальпель против топора: редактирование генома вышло на невероятный уровень точности

Скальпель против топора: редактирование генома вышло на невероятный уровень точности

Скорость развития генно-инженерных технологий поражает воображение. Наверное, каждый помнит, какой фурор в свое время произвела технология редактирования генома CRISPR-Cas9. И вот ее уже готовы сдать в утиль.

А все потому, что родилась новая технология, изобретенная учеными Массачусетского технологического института и Гарвардского университета, оставившая старушку CRISPR-Cas далеко позади.

Технология CRISPR-Cas9 по сути ненадежна и слишком неуклюжа. Зато инновационный метод праймированного редактирования (prime editing) позволяет исправить в геноме все, что только можно пожелать, с точностью до основания.

Праймированное редактирование не требует создания двуцепочечных разрывов, а вместо направляющей РНК, которую использует CRISPR/Cas определения нужного кусочка генома, в нее входит удлиненная гидовая РНК (prime editing extended guide RNA, pegRNA, пргРНК).

Удлиненная гидовая РНК нацеливает модифицированную форму фермента Cas9 на обрезание только одной нити ДНК (известно, что разрывы двух нитей могут вызвать непреднамеренные мутации).

После этого фермент обратной транскриптазы непосредственно копирует отредактированную генетическую информацию, содержащуюся в пргРНК, в целевой геномный сайт.

«Тот факт, что мы смогли напрямую копировать новую генетическую информацию в целевой сайт, стал откровением. Мы были действительно взволнованы», — говорит химический биолог, Эндрю Анзалоне, один из авторов исследования.

Важнее всего то, что впервые исследователи смогли эффективно менять одну «букву» ДНК на любую другую: аденин (A), цитозин (C), гуанин (G) и тимин (T) теперь заменимы всеми из 12 возможных способов. До сих пор были осуществимы лишь отдельные варианты таких замен.

«Благодаря первичному редактированию мы наконец-то сможем напрямую исправить мутацию серповидно-клеточной анемии, восстановив нормальную последовательность и удалить четыре дополнительных основания ДНК, вызывающих болезнь Тея — Сакса, без полного разрезания ДНК», — радуется биолог Дэвид Лиу.

Команда ученых уже произвела около 200 геномных замен на мышах, при этом новая технология дала на порядок меньше нежелательных побочных продуктов и нецелевых изменений, чем подход CRISPR-Cas9.

Подход еще требует определенной доработки. Тем не менее, по оценкам экспертов, с помощью нового метода можно будет вылечить около 90 % всех генетических болезней человека.

Аденин в «четвертой позиции» повышает точность системы редактирования генома

Комплекс из направляющей РНК и белка Cas9 расщепляет молекулу ДНК в строго определенном месте

В последние годы вокруг темы редактирования геномов, в первую очередь технологии CRISPR/Cas, поднят настоящий ажиотаж – складывается впечатление, что она действительно очень проста и доступна. На деле же темпы использования этой технологии намного опережают скорость проникновения в суть ее механизмов, что выражается в низкой эффективности и точности метода. Отсюда же ведут свое начало скандалы и споры о допустимости применения этого подхода к человеку. Недавно ученые из Института Фрэнсиса Крика (Великобритания) установили одну из закономерностей, которые позволят повысить предсказуемость результатов геномного редактирования

Главным действующим элементом применяемой ныне системы геномного редактирования CRISPR/Cas является комплекс из так называемой направляющей РНК с белком Cas9, который «позаимствовали» у бактерии – пиогенного стрептококка.

Читать еще:  Почему немеет палец на правой руке?

Эта РНК представляет собой синтетическую молекулу нуклеиновой кислоты, которая, как ключ к замку, подходит к тому участку ДНК, который должен быть отредактирован. РНК распознает этот фрагмент и связывается с ним, после чего Cas9 разрывает нить ДНК в месте, отстоящем на три нуклеотида (генетических «буквы») от конца генной мишени. После этого в месте разрыва начинает работу ремонтная репарационная система клетки, и в ходе этого процесса можно направленно заменить участок гена, если доставить в клетку искусственно синтезированную подходящую донорскую молекулу ДНК.

К сожалению, на практике направляющая РНК не всегда точно опознает нужный участок ДНК, в результате чего разрыв может произойти совсем не в том месте, где планировалось. К тому же в процессе «ремонта» в результате случайных вставок или потерь нуклеотидов могут возникать потенциально опасные мутации.

Британские исследователи провели анализ результатов множества экспериментов с использованием системы CRISPR, направленных на редактирование около 1,5 тыс. мишеней в 450 генах человеческого генома. Выяснилось, что результат редактирования во многом зависит от нуклеотидов, расположенных непосредственно вблизи места разреза. Особенно важен нуклеотид, четвертый по счету от точки разрыва: если это будет аденин – точность редактирования будет высокой, в случае же гуанина будет высок риск нежелательных перестроек.

Таким образом, сам подбор места разреза целевого фрагмента ДНК с учетом его нуклеотидного окружения сделает редактирование генома намного более предсказуемым, а значит, более безопасным и перспективным.

Наука

Медицина

Дети-мутанты: чем грозит редактирование генома

Редактирование генома приводит к тысячам незапланированных мутаций

Редактирование генома приводит к тысячам незапланированных мутаций, выяснили британские генетики. Их невозможно выявить при обычном генотипировании, и они могут приводить к развитию рака. Эти данные заставляют по-новому взглянуть на перспективы использования технологии для лечения людей.

Технология редактирования генома CRISPR/Cas9 стала прорывом, обещавшим расцвет генной инженерии. Несмотря на опасения насчет появления в будущем «дизайнерских» детей с геномом, спроектированным по пожеланиям родителей, сегодня она уже позволяет бороться с раком и слепотой, пусть пока и экспериментально. Однако изучение побочных эффектов метода показывает, что, несмотря на успехи в области редактирования генома, эта технология может быть опасна.

Впервые ученые забеспокоились год назад, когда стало известно, что редактирование генома приводит к сотням незапланированных мутаций.

Исследователи секвенировали геном двух мышей, вылеченных от слепоты с помощью CRISPR/Cas9, и еще одной здоровой и не подвергавшейся этой процедуре. Их интересовали возможные мутации, связанные с редактированием, даже изменения в одном-единственном нуклеотиде — молекуле, выступающей в качестве строительного блока ДНК или РНК.

Оказалось, что хотя вызывающий слепоту ген был успешно откорректирован, у прошедших через эту процедуру мышей были выявлены более 1500 однонуклеотидных мутаций и более сотни удалений и вставок более крупных участков. Сами мыши, впрочем, чувствовали себя нормально, никаких проблем со здоровьем исследователи не обнаружили.

Впоследствии, однако, авторам работы не удалось воспроизвести свои результаты. Но их эксперимент положил начало цепочке аналогичных исследований.

Одной из таких работ стало исследование британского генетика Алана Брэдли и его коллег из института Сенгера. Его команда изучила влияние CRISPR/Cas9 на стволовые клетки мышей и эпителиальные клетки сетчатки человека. Результаты были опубликованы в журнале Nature Biotechnology.

«Это первая систематическая оценка неожиданных последствий, к которым может приводить редактирование генома с помощью CRISPR/Cas9 в терапевтически значимых клетках,

— поясняет он. — Мы выяснили, что изменения ДНК до сих пор серьезно недооценивались».

Изначально исследователи использовали CRISPR/Cas9 для изучения активности генов. А затем обнаружили неожиданный побочный эффект.

Читать еще:  Вакцина против ротавирусной инфекции сэкономит стране 45 миллиардов рублей

«Как только мы осознали масштабы генетических перестроек, мы систематически изучали происходящее, рассматривая разные гены и разные терапевтически значимые линии. И мы выяснили, что во всех них эффект сохраняется», — рассказывает аспирант Майкл Косицки.

Эффекты включали в себя удаления или мутации огромных участков гена в значительном отдалении от редактируемого участка.

Опасность состоит даже не столько в том, что эти мутации могут быть опасными, сколько в том, что стандартное генотипирование не способно выявить эти мутации.

В худшем случае при лечении человека с помощью редактирования генома можно повредить важные гены и нанести здоровью непоправимый вред.

«В клинической практике редактируются миллиарды клеток, и множество различных мутаций создают вероятность того, что одна или несколько отредактированных клеток окажутся поражены, — предупреждают авторы. — Такие поражения могут запустить развитие рака».

Такие непредвиденные побочные эффекты необходимо учитывать, просчитывая риски процедуры редактирования генома, убеждены исследователи.

«Важно, чтобы к использованию генной терапии подходили с осторожностью, — говорит Брэдли. — И внимательно изучали возможные негативные последствия».

«Это исследование впервые оценивает обширность геномных повреждений, возникающих при использовании CRISPR/Cas9. Неизвестно, будет ли затронут геном других клеточных линий таким же образом, но эта работа показывает, что для использования технологии необходимо провести дополнительные исследования», — комментирует профессор Мария Ясин.

Обеспокоенность мутациями клеток сетчатки более чем обоснована — в 2017 году группа офтальмологов из США с помощью редактирования генома смогла исправить генетический дефект, при котором возникает пигментный ретинит, заболевание, нарушающее работу фоторецепторов и приводящее к слепоте.

Они использовали клетки кожи пациента с пигментным ретинитом, чтобы вырастить стволовые клетки, которые тоже несли в себе приводящую к слепоте мутацию. CRISPR позволила успешно «отремонтировать» дефектный ген. На момент проведения исследования эксперименты на людях были запрещены, но, как утверждают сами исследователи, трансплантация здоровых клеток могла бы восстановить утраченное зрение.

В отличие от традиционной пересадки органов такой подход не вызовет отторжения иммунной системой.

Однако, в свете последних данных, он может привести к проблемам со здоровьем даже более ужасным, чем потеря зрения.

Суд огласил приговор китайскому ученому

Китайский суд приговорил генетика Хэ Цзянькуя к трем годам лишения свободы и штрафу в размере 3 млн юаней за незаконное редактирование генома человеческого эмбриона. Вместе с ним тюремные сроки и штрафы получили двое его коллег, помогавшие ему в работе. По мнению суда, эти ученые, не имея квалификации врачей, сознательно нарушали национальные законы, касающиеся научных исследований, и «презрели медицинскую и научную этику ради личного обогащения».

Оглашенный 30 декабря приговор Наньшаньского районного суда Шэньчжэня подвел итог расследованию в отношении доцента Южного университета науки и технологий Хэ Цзянькуя, заявившему в 2018 году о том, что ему удалось отредактировать геном двух эмбрионов. 34-летний биолог и биофизик утверждал, что с помощью методов генной инженерии ему удалось обеспечить двум детям пожизненный иммунитет к ВИЧ. Суд проанализировал данные расследования и также выводы экспертов, ученых, Национальной комиссии по здравоохранению и других научных организаций и постановил, что Хэ и двое его коллег занимались «незаконной медицинской практикой, на которой пытались нажить себе славы и денег».

В ноябре 2018 года биофизик Хэ Цзянькуй, доцент Южного университета науки и технологий в Шэньчжэне опубликовал видеообращение, в котором заявил об успешном появлении на свет первых двух младенцев с искусственно измененным геномом. У новорожденных девочек, отец которых был ВИЧ-положительным, теперь, по словам ученого, есть иммунитет к ВИЧ.

Ученые еще в 1996 году доказали, что иммунитет к заражению ВИЧ обеспечивается мутацией в гене CCR5. Белок, кодируемый этим геном, находится на поверхности клетки и именно через него вирус иммунодефицита пробирается внутрь клетки и происходит заражение. Если же этот ген поврежден, имеется определенная мутация, проникнуть внутрь клетки вирус не может. Правда, необходима мутация в обеих копиях гена — материнской и отцовской. Те же исследования показали, что более чем у 100 млн человек в мире, в основном европейского происхождения, эта мутация врожденная и они заразиться не могут.

Читать еще:  Диализ без диализных машин становится реальностью

Китайский биофизик решил добиться такой же мутации искусственным путем и использовал для этого новую технологию редактирования геномов высших организмов CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats). Для проведения эксперимента была приглашена чета китайцев, собирающихся обзавестись ребенком, причем мужчина был ВИЧ-положительным. Женщина забеременела в результате процедуры ЭКО, после которой в оплодотворенную яйцеклетку был введен специальный фермент, который должен был разрезать ДНК в определенном месте и добавить на место разреза отредактированную копию нужного гена.

Чем опасны эксперименты по редактированию ДНК

В проведении эксперимента Хэ Цзянькую ассистировали двое научных сотрудников больничных учреждений Шэньчжэня — Чжан Жэньли и Цинь Цзиньчжоу. Все работы велись в глубокой тайне, и о проведении эксперимента стало известно лишь через несколько недель после родов — у четы родились две девочки, которых назвали Нана и Лулу. «Их родители хотели не дизайнерского ребенка на заказ,— заявил тогда Хэ,— а всего лишь ребенка, защищенного от заболевания, которое медицина не может предотвратить. Я понимаю, что моя работа будет воспринята неоднозначно, но я верю, что семьям нужна эта технология, и я готов спокойно принять критику».

Чуть позже Хэ Цзянькуй объявил, что аналогичное редактирование генов было проведено у яйцеклетки еще одной женщины, и родился еще один ребенок с иммунитетом к ВИЧ. По словам биофизика, все прошло успешно, иммунитет у рожденных детей сохранится пожизненно, и они передадут его своим потомкам.

Однако ликование китайского ученого почти никто не разделил. После первого потрясения и шумихи, вызванной его заявлением, научное сообщество обрушилось на него с резкой критикой, начались проверки и расследования в отношении биофизика и его экспериментов.

Кроме того, проведенные в связи с этой историей учеными Калифорнийского университета в Беркли исследования показали, что двойная мутация гена CCR5 хотя и обеспечивает иммунитет от ВИЧ, но зато у ее носителей риск ранней смерти на 21% выше, чем у тех, у кого такой мутации нет.

Как в России регулируется использование репродуктивных технологий

Учитывая заключения экспертных комиссий и данные следствия, Наньшаньский районный суд Шэньчжэня, заседания которого проходили в закрытом режиме, признал Хэ Цзянькуя, Чжан Жэньли и Цинь Цзиньчжоу виновными в сговоре и в незаконной медицинской практике. Все трое вину свою признали. «Трое обвиняемых не имели необходимой квалификации для занятий медициной и, добиваясь славы и богатства, умышленно нарушали национальные требования к проведению научных исследований и лечения. Они преступили этическую черту и безрассудно применяли метод генной инженерии»,— говорится в решении суда, которое приводит агентство Xinhua.

Суд приговорил Хэ Цзянькуя к трем годам лишения свободы и штрафу в размере 3 млн юаней ($430 тыс.). Чжан Жэньли получил два года лишения свободы и штраф 1 млн юаней ($143 тыс.), Цинь Цзиньчжоу — полтора года лишения свободы с двухлетней отсрочкой и штраф в размере 500 тыс. юаней ($71,5 тыс.). Кроме того, всем троим суд пожизненно запретил заниматься работой, связанной с репродуктивными технологиями.

Ссылка на основную публикацию
Статьи c упоминанием слов:
Adblock
detector