Geenitekniikka avaa ihmiskunnalle mahdollisuuden luoda aiemmin olemattomia organismeja ja tuhota geneettiset sairaudet. Asiat eivät kuitenkaan ole niin ruusuisia, koska edes läpimurto CRISPR / Cas9-tekniikka ei ole läheskään täydellinen. Hänen tekemänsä virheet voivat olla harvinaisia, mutta yksi riittää tulemaan kuolemaan ihmiselle. Lenta.ru kertoo, mikä on vikaa CRISPR: ssä ja kuinka tutkijat yrittävät korjata tilanteen.
CRISPR / Cas9-järjestelmää - eräänlaista DNA-saksia - pidetään oikeutetusti vallankumouksena geenitekniikan alalla. Sen avulla tutkijat voivat muokata ihmisen genomia poistamalla siitä haitalliset mutaatiot ja siten hoitaa epämiellyttäviä ja tappavia perinnöllisiä sairauksia. Ei pidä kuitenkaan ajatella, että tällaisia menetelmiä ei ollut aiemmin. Genetiikan arsenalissa olivat esimerkiksi sinkki "sormia" sisältävät nukleaasit ja endonukleaasit - entsyymit, jotka hajottavat DNA-molekyylejä tietyissä paikoissa. Tarkkuudellaan, monipuolisuudellaan ja kustannuksillaan ne ovat huomattavasti huonompia kuin CRISPR / Cas9, vaikka jälkimmäinen ei ole läheskään täydellinen.
CRISPR / Cas9: n eivät alun perin luoneet tutkijat, vaan luonto. Se on molekyylimekanismi bakteerien sisällä, jonka avulla ne voivat taistella bakteriofageja ja muita loisia vastaan. Itse asiassa se toimii immuniteettina infektioita vastaan. CRISPR (tarkoittaa "lyhyitä palindromisia toistoja, säännöllisesti ryhmissä") ovat DNA: n erityisiä alueita (lokuksia). Ne sisältävät lyhyitä fragmentteja DNA-viruksista, jotka kerran tartuttivat nykypäivän bakteerien esi-isät, mutta hävittivät heidän sisäisen puolustuksensa. Näitä kappaleita kutsutaan välikappaleiksi ja ne erotetaan toisistaan toistuvien sekvenssien avulla.
Kun bakteriofagi hyökkää bakteeriin, kutakin toistuvaa sekvenssiä ja viereistä välikettä käytetään templaattina molekyylien synteesissä, joita kutsutaan crRNA: ksi. Muodostuu monia erilaisia RNA-ketjuja, jotka sitoutuvat Cas9-proteiiniin, jonka tehtävä on erittäin yksinkertainen: leikata viruksen DNA. Hän pystyy kuitenkin tekemään tämän vasta sen jälkeen, kun crRNA löytää täydentävän fragmentin virus-DNA: sta. Kun Cas9 hajottaa vieraat nukleiinihapot, muut nukleaasit tuhoavat jälkimmäisen.
CRISPR / Cas9 on hyvä tarkkuudestaan, koska bakteereille immuunijärjestelmän oikea toiminta on elämän ja kuoleman kysymys. "Anti-virus" -järjestelmän on löydettävä osa virus-DNA: sta miljoonan muun joukosta, ja mikä tärkeintä, sitä ei pidä sekoittaa sitä omaan genomiinsa. Miljoonien vuosien evoluution aikana bakteerit ovat parantaneet tätä mekanismia. Joten heti kun he selvittivät, miksi CRISPR-järjestelmää tarvitaan, he tajusivat, että sitä voidaan kesyttää ennennäkemättömän tarkaksi geeninmuokkaustyökaluksi.
Yhden spesifisen alueen korvaamiseksi genomissa on välttämätöntä syntetisoida ohjaava RNA, joka on periaatteessa samanlainen kuin crRNA. Se kertoo Cas9: lle, missä on tarpeen tehdä kaksisäikeinen katkos modifioidun organismin DNA: ssa. Meidän ei kuitenkaan tarvitse pilata geeniä, vaan modifioida sitä - esimerkiksi korvata yksi tai useampi nukleotidi ja poistaa haitallinen mutaatio. Täällä luonto tulee jälleen apuun. Luonnolliset korjausmekanismit alkavat heti palauttaa leikatun ketjun. Temppu on, että tämän tekemistä varten jotkut RNA-fragmentit poistetaan lähellä rikkoutumista, minkä jälkeen samankaltaiset sekvenssit lisätään sinne. Tutkijat voivat korvata ne omilla DNA-sekvensseillään ja siten muokata genomia.
Kaavioesitys CRISPR: stä
Mainosvideo:
Kuva: Kaidor / Wikipedia
Mikään ei kuitenkaan ole täydellistä. Suhteellisesta tarkkuudesta huolimatta CRISPR-järjestelmät tekevät toisinaan virheitä. Yksi syy on järjestelmän luonteessa. Bakteereille on epäedullista, että crRNA yhtyy 100 prosenttia virus-DNA-fragmentin kanssa, joka voi erota yhdellä tai kahdella nukleotidilla. Hänen on parempi, että jotkut nukleotidit voivat olla erilaisia, mikä antaa mikro-organismille paremmat mahdollisuudet taistella infektiota vastaan. Samanaikaisesti geenitekniikassa matala spesifisyys uhkaa virheitä: muutoksia voidaan tehdä väärässä paikassa. Jos tämä tapahtuu hiirikokeiden aikana, ei ole mitään erityistä tragediaa, mutta ihmisen genomin muokkaaminen voi muuttua katastrofiksi.
Tämä selittää länsimaisten tutkijoiden huolen Kiinassa suoritettavista kokeista. Aasian tutkijat ovat käyttäneet CRISPR-tekniikkaa ihmisen alkioiden muuntamiseen geneettisesti. Tällaiset kokeet on kielletty Euroopassa ja Yhdysvalloissa, mutta äskettäin Yhdistynyt kuningaskunta on sallinut ne - vain tutkimustarkoituksiin. Tällaiset alkiot on tuhottava muutamassa viikossa saamisen jälkeen, mikä sulkee pois muuntogeenisten ihmisten "kasvattamisen".
CRISPR / Cas9 ei kuitenkaan olisi niin hieno, jos sitä ei voida parantaa. Joten tiedemiehet opettivat Cas9: n leikkaamaan ei kahta ketjua kerralla, vaan vain yhden. Leikkaus tehdään kahdessa eri paikassa DNA-sekvenssissä eri säikeillä, joten järjestelmän on kyettävä tunnistamaan kaksi kertaa niin paljon nukleotideja kuin normaalisti, mikä tekee siitä tarkemman.
Proteiini Cas ja crRNA
Kuva: Thomas Splettstoesser / Wikipedia
Länsi-Ontarion yliopiston tutkijat ovat löytäneet toisen tavan parantaa tätä tekniikkaa. He yrittivät ratkaista leikatun DNA: n korjaamisen ongelman. Nukleiinihappoketjun nopea palautuminen johtaa siihen, että tutkijoilla ei ole aikaa tehdä omia korjauksia genomiin. Siten syntyy noidankehä: ei-toivotulla tavalla korjattu ketju on leikattava uudelleen Cas9-proteiinilla.
Tämän estämiseksi tutkijat modifioivat proteiinisakset TevCas9-proteiinin luomiseksi. Se leikkaa DNA-juosteen kahdesta paikasta, mikä vaikeuttaa paikan korjaamista. Uuden entsyymin synteesiä varten Cas 9: ään lisättiin entsyymi I-Tevl, joka on myös endonukleaasi, so. Proteiini, joka katkaisee DNA-molekyylin keskellä sen sijaan, että se katkaisi sekvenssin päät, kuten eksonukleaasit tekevät. Tuloksena saatu fuusioproteiini osoittautui tarkemmaksi sitoutumisessa spesifisiin kohtiin ja vähemmän todennäköisesti tekemään virheen ja leikkaamaan väärän kohdan.
Cas9: n kristallirakenne sitoutunut DNA: han
Kuva: Cas9 wiki-projekti / Wikipedia
On toinen tapa parantaa CRISPR-järjestelmien tarkkuutta. Bakteerien ja virusten välinen "aseiden kilpailu" ei ole johtanut pelkästään puolustusjärjestelmien kehittämiseen mikro-organismeissa, vaan myös keinoihin neutraloida ne. Siksi bakteriofaagit mutatoituvat nopeasti menettämällä alueet, joilla bakteerien immuniteetti tunnistaa ne. Jotkut koodaavat kuitenkin anti-CRISPR-proteiineja, häiritsemällä crRNA-Cas9-kompleksin työtä.
Cell-lehti julkaisi 8. joulukuuta Toronton yliopiston tutkijoiden artikkelin, joka loi anti-CRISPR-järjestelmän - järjestelmän, jonka avulla voit sammuttaa mekanismin tietyissä olosuhteissa. Se estää ei-toivotut virheet tukahduttamalla Cas9-aktiivisuuden siinä tapauksessa, että ohjaava RNA sitoutuu väärään fragmenttiin. Anti-CRISPR koostuu kolmesta proteiinista, jotka estävät nukleaasia ja joita koodaavat yhden bakteeriviruksen geenit.
CRISPR-tekniikkaa käytetään jo vakavien sairauksien, kuten leukemian ja keuhkosyövän, hoitoon, ja sitä testataan myös HIV: n puhdistamiseksi immuunisoluista. Kun tutkijat löytävät uusia tapoja parantaa tätä menetelmää, avautuu yhä enemmän mahdollisuuksia sen soveltamiseen.
Alexander Enikeev