Помощь по Теле2, тарифы, вопросы

Москва, 12 фев — РИА Новости, Татьяна Пичугина. Выступая на Совете по науке и образованию, в котором принял участие глава государства Владимир Путин, академик Ольга Донцова рассказала о "природоподобной" технологии изменения генома CRISPR. В интервью РИА Новости она объяснила, почему в нашей стране следует активнее поддерживать этот метод генной инженерии.

В геноме бактерий содержатся участки, которые играют роль своеобразной иммунной системы, защищающей от бактериофагов — бактериальных вирусов. В 2012 году ученые обнаружили, что эту систему можно модифицировать таким образом, чтобы редактировать с ее помощью геном других организмов.

Система включает молекулу РНК (CRISPR), в которую можно вставить желаемый участок узнавания в геноме, а также участок взаимодействия с белком-ферментом Cas9, который, собственно, разрезает ДНК в клетке другого организма. Таким образом, РНК направляет в нужное место фермент, который вносит разрыв в молекулу ДНК. Далее природная система (она называется "негомологическое соединение концов") сшивает разрыв, при этом могут теряться или добавляться нуклеотидные остатки, меняя таким образом генетическую информацию в месте разреза. В итоге в заранее выбранном участке ДНК возникает мутация.

По словам Ольги Донцовой, возглавляющей кафедру химии природных соединений химического факультета и отдел структуры и функций РНК НИИ физико-химической биологии имени А. Н. Белозерского МГУ, геномное редактирование позволит создавать новые породы селькохозяйственных животных, сорта растений, даст возможность облегчить состояние людей с редкими генетическими заболеваниями и многое другое.

Академик назвала технологию CRISPR/Cas "прорывной" и "природоподобной", поскольку она основана на естественной системе, существующей у бактерий. В ответ на это Владимир Путин поставил задачу в кратчайшие сроки разработать программу геномных исследований.

— Ольга Анатольевна, поясните, почему вы обратили внимание главы государства на технологию геномного редактирования?

— Потому что это прорыв, можно сказать, третья революция в молекулярной биологии после открытия спирали ДНК Уотсоном и Криком и расшифровки генома. CRISPR/Cas позволяет легко и быстро манипулировать с геномом на "природном уровне". Как я объясняла в докладе президенту, это когда мы ничего не делаем в клетке сверх того, что может и природа. С помощью этой технологии, конечно, нам подвластны и более сложные задачи, сугубо для научных исследований. Но широкие перспективы открываются перед самыми разнообразными областями: это не только появление новых полезных сельскохозяйственных культур и пород животных с заданными свойствами, но и разработки систем производства полезных продуктов, например лекарств, когда бактерии, дрожжи и разные клеточные культуры вырабатывают нужные нам вещества. В докладе я упомянула только один аспект применения в медицине (речь идет о миодистрофии Дюшена, редком наследственном заболевании, которое приводит к деградации мышц. — Прим. ред.), но вот, к примеру, у некоторых скандинавов наблюдается мутация, в результате которой они не заражаются ВИЧ. Почему бы не внести направленные мутации в соматические клетки уже больного человека, что поможет остановить распространение вируса по клеткам организма? Это революционная технология, которая в корне меняет представление о том, что мы можем делать с генами и что нет.

— Вы рассказали, что с помощью особой системы разрезают спираль ДНК, которая затем сама себя восстанавливает. Как это происходит?

— Дело в том, что геномный редактор разрезает обе цепи в спирали ДНК. А это очень плохо для клетки, потому что она тогда не может делиться. Она начинает подавать тревожные сигналы с помощью специальных молекул о том, что у нее есть двухцепочечный разрыв. Сигнал распознает особая ферментативная система негомологического соединения концов и начинает сшивать ДНК. Она либо отрезает от цепочек несколько лишних нуклеотидных остатков, либо их добавляет. В зависимости от того, на сколько нуклеотидов изменился фрагмент ДНК, ген, на который мы нацелили редактор, либо перестает работать, "выключается", либо возникает мутация — замена одной аминокислоты на другую, потеря или вставка одной, нескольких аминокислот. Далее ученые могут выбрать ту линию клеток (или животных, растений), которые несут именно то изменение, которое запланировано. То есть, можно сделать так, что ген-мишень продолжает функционировать, белок вырабатывается, но уже немного другой, измененный нужным образом.

— Получается, что CRISPR-системой мы можем выключить какой-то ген в ДНК или что-то в ней поменять?

— Да, выключить или сделать точечную мутацию. Можем добавить в геном дополнительную матрицу, чтобы прочитать ту последовательность, которую нам нужно туда вставить, и таким образом можем заменить какую-то аминокислоту. Это тоже природная ситуация. Что такое генномодифицированные организмы, которых многие боятся? Это когда в геном одного организма встраивают чужой ген — из другого организма. Невозможно предсказать, в какое место ДНК он встроится. В новой технологии никаких чужих генов мы не встраиваем и вообще ничего не делаем сверх того, что не могла бы сделать сама природа. Появился такой инструмент, который позволяет не ждать милости от природы, а быстро и направленно в одном конкретном месте ДНК, которое мы хотим изменить, что-то включить или выключить.

— Допустим, мы выключили какой-то дефектный ген. Почему ДНК не восстанавливается заново с тем же дефектом?

— А потому что мы в обеих цепочках ДНК сделали изменение, обе разорвали. В принципе, существует механизм исправления двухцепочечного разрыва. Гомологическая рекомбинация называется. Она больше используется в конце фазы деления клетки, когда у нас не две, а четыре копии ДНК. Тогда для правильного прочтения и восстановления генома используется вторая копия. Этот механизм, кстати, можно применить для более точного редактирования.

— То есть у метода есть проблемы с точностью?

— Как и у любого научного метода. Собственно, ученые сейчас работают над тем, чтобы повысить его точность. В процессе редактирования генома могут возникать ненужные мутации. Экспериментируя с клетками, ученые обязаны убедиться, что не внесли в их геном ничего непредусмотренного.

— Когда мы говорим об исправлении генома у человека с редким генетическим заболеванием, то речь идет о конкретном индивиде? У его детей генетический дефект проявится?

— Мы можем изменить геном отдельных клеток конкретного больного, чтобы помочь ему справиться с заболеванием, но у его потомков мутация сохранится. Чтобы изменить геном и в половых клетках, нужно вторгаться в эмбрион. Но я считаю, что изменять геном эмбриона человека неэтично. Нельзя этого делать. Вмешиваться в геном эмбриона недопустимо, с моей точки зрения.

— В докладе вы говорили о возможности создания курицы без перьев или картошки без крахмала? Как мы получим такие породы, сорта?

— Это как раз самое простое. Нам известен метаболический процесс, в результате которого вырабатывается крахмал. Если выключить один из ферментов в этом процессе, то получим картошку, если и не совсем без крахмала, то со сниженным его содержанием. Или, к примеру, есть ген, который регулирует развитие мышц. Он в процессе развития организма выключается. Если помешать этому выключению, то получим супермясное животное, которое будет просто под тяжестью своего мяса с трудом передвигаться. Такие эксперименты уже описаны в научной литературе.

Чтобы получить породу, геном редактируют на уровне эмбрионов. Такие эксперименты проводят в лаборатории геномного редактирования МГУ под руководством профессора Петра Сергиева.

— Наши ученые имели какое-то отношение к открытию системы CRISPR?

— Открытие сделали за рубежом, но наши ученые развивают его. К примеру, в Сколтехе под руководством Константина Северинова занимаются разработкой других систем редактирования генома. Это важно, потому что новую систему можно запатентовать. Кроме того, остается проблема точности редактирования, которую решают разными путями.

Много научных групп у нас практически применяют эту технологию в опытах на клеточных культурах, что не менее важно, потому что первые модельные эксперименты делают сначала на клеточной линии, а потом уже на организме.

— Мы можем продемонстрировать уже в ближайшее время какие-то практические результаты, полученные с помощью метода геномного редактирования?

— В области фундаментальной науки эти новые идеи мы быстро освоили, а вот с точки зрения практики немножко отстаем. Но если будет государственная программа, то и практические результаты, безусловно, появятся.

Вчера стало известно, что Великобритании разрешат в исследовательских целях редактировать геном эмбрионов человека. Для этого будет использоваться открытая буквально несколько лет назад технология CRISPR/Cas9. Мы попытались ответить на самые очевидные вопросы, которые в связи с этим возникают: что это такое, зачем это нужно и как новая технология изменит медицину.

Что конкретно произошло?

Британское государственное агентство HFEA (Human Fertilisation and Embryology Authority - Управление по эмбриологии и искусственному оплодотворению) проводить генетическую модификацию человеческих эмбрионов с помощью технологии CRISPR/Cas9. До сих пор подобные исследования в Соединенном Королевстве и на Западе вообще были запрещены. Ранее, первые эксперименты были проведены в Китае, но их легальный статус был неясен и они вызвали поток критики со стороны исследователей. Великобритания же станет первой из западных стран, официально разрешивших применение технологии редактирования генома по отношению к человеческим эмбрионам.

Стоит отметить, что разрешение касается только исследовательских целей. Выдано оно пока единственному научному коллективу - группе, возглавляемой Кети Никен (Kathy Niakan) из Института Френсиса Крика. Ученые будут обязаны уничтожить полученные ГМ-эмбрионы в течение 14 дней после их получения. И, конечно, их нельзя будет подсаживать женщине для вынашивания.

И что же тогда в этом сенсационного?

Старт исследований в Великобритании - это важный шаг для начала применения технологии редактирования генома на людях. Потенциально, технология CRISPR/Cas9 способна изменить отношение человечества к сотням и тысячам наследственных заболеваний. Если раньше они были либо полностью неизлечимы, либо допускали паллиативное, симптоматическое лечение, то сейчас открывается возможность их лечить «по-настоящему», то есть устранять саму причину возникновения болезни.

Одновременно с появлением технологии редактирования генома появляется и возможность его «улучшения», в самых разных смыслах. Пока речь идет о довольно простых (с точки зрения механизма наследования) заболеваниях, но потенциально мишенями для редактирования могут стать не только «поломанные» гены, но и гены просто связанные с повышенным риском для здоровья. Или даже гены, отвечающие за безобидные физиологические особенности вроде способности пить молоко во взрослом возрасте или успехи в спорте.

Эта технология позволит лечить рак?

Возможно, но не сразу. То, что называется в обиходе «раком» - это гигантское семейство различных болезней с различными механизмами возникновения. Существуют разновидности рака, вероятность возникновения которых тесно связана с особо «неудачными» вариантами некоторых генов. Типичный пример - ген BRCA1 , мутации в котором могут повышать вероятность возникновения рака груди в несколько раз. Потенциально, с помощью технологии CRISPR/Cas9 можно внести изменения в геном сперматозоида или яйцеклетки и таким образом предотвратить передачу мутантного варианта гена своим детям.

Проблема в том, что для большинства онкологических заболеваний наследственность не играет большой роли, а значит, технология редактирования генома будет почти бесполезна. С другой стороны, существуют тяжелые наследственные заболевания, у которых высокая наследуемость, но она настолько сложна и запутана, что не понятно, где и какие нужно вносить изменения в геном, чтобы снизить риск их возникновения. Типичный пример - шизофрения, риск развития которой, как считается, наследуется на 80 процентов (это показано на однояйцевых близнецах). При этом молекулярный механизм наследования шизофрении до самого последнего времени был совершенно непонятен и .

Если говорить о том, что с помощью CRISPR/Cas9 можно будет лечить в первую очередь, то это прежде всего простые моногенные заболевания вроде бета-талассемии, муковисцидоза или гемофилии.

Что нового в этой технологии, если методы создания ГМ-животных давно известны?

Получить ГМО можно разными путями, в том числе и с помощью системы CRISPR/Cas9. Сейчас именно на эту технологию переходит все больше и больше бионженеров. Однако между старыми и новыми технологиями есть одно принципиальное отличие: это направленность внесения изменений. Именно в ней заключается принципиальное отличие технологии CRISPR/Cas9.

Раньше, чтобы добиться появления нового нужного свойства у организма биоинженеры просто встраивали ДНК-конструкцию в клетки. При этом место в геноме, куда эта конструкция попадет, предсказать было невозможно (за исключением отдельных случаев вроде пекарских дрожжей). Это приводило к тому, что, во-первых, природная версия гена в геноме сохранялась (если она там, конечно, была) и только дополнялась новой, искусственной версией.

Такой метод подходит для получения какого-то нового свойства, например, усиленной выработки гормона роста у ГМ-лосося или для синтеза витамина А в зернах риса. Однако когда речь идет о замене сломанного гена на его правильную копию, тем более в человеческой ДНК, то понятно, что ненаправленность - это большой минус. Кроме того, случайное встраивание в геном может приводить к неэффективной работе трансгена - активность любого гена у ядерных организмов зависит от его окружения, от локальной структуры хроматина. Поэтому трансген, попавший в неудачный кусок генома, может оказаться просто-напросто выключен или, наоборот, слишком активен. В отличие от старых методов технология CRISPR/Cas9 позволяет не просто встроить новую последовательность в ДНК, а заменить ее старую версию на новую.

И как это работает?

В два этапа. Сначала специальная нуклеаза (т. е. фермент, разрезающий ДНК), вносит двуцепочечный разрыв в нужное место генома. Это место нуклеаза находит с помощью короткой направляющей РНК (подобранной учеными), чья последовательность должна с точностью до буквы совпадать с нужной последовательностью в геноме. После того, как разрыв внесен, включаются внутренние механизмы клетки, так называемая система репарации.

Нужно понимать, что появление двуцепочечного разрыва в ДНК - это аварийная ситуация для любой клетки. Разрыв ведет к появлению мутаций и вообще угрожает целостности генома. Поэтому существуют специальные белки, которые находят «оборванные концы» в геноме и запускают реакцию «починки». Разрыв, конечно, может быть просто склеен обратно, но это чревато потерей нескольких «букв» на месте стыка и, как следствие, сдвигом рамки считывания и полным выключением гена. Поэтому клетка обычно предпочитает найти похожую последовательность поблизости в геноме и использовать ее в качестве образца для восстановления правильной последовательности в месте разрыва. Вот тут-то ферментам можно подсунуть тот вариант ДНК, которым мы хотим заменить природную последовательность.

Система гомологичной рекомбинации известна с 70-х годов прошлого века, что нового привнесла технология CRISPR/Cas9?

Метод редактирования генома CRISPR/Cas9, по крайней мере в той форме, что существует сейчас, никак не затрагивает природный механизм рекомбинации - после того, как разрыв внесен, замена ДНК происходит за счет природных механизмов.

Сложность с редактированием генома до сих пор заключалась именно в том, чтобы внести этот разрыв. Он должен появится в одном-единственном месте генома и нигде больше - именно потому, что такие разрывы ведут к появлению мутаций. Для сравнения, размер генома человека составляет около трех миллиардов нуклеотидов, а направляющая последовательность РНК, которая должна найти в геноме свое место посадки, имеет в длину около двадцати-сорока нуклеотидов. Удивительно, что ей вообще это удается. Если же речь идет не об отдельной клетке, а о генной терапии целой ткани, то задача становится еще сложнее - все клетки должны быть модифицированы, но каждая только по одному разу.

До открытия системы CRISPR/Cas9 ученые уже пытались разработать методы внесения направленных разрывов в ДНК. Например, большую работу в этом направлении проделал наш бывший соотечественник Федор Урнов. Речь идет о рациональном дизайне белков-нуклеаз, которые бы самостоятельно (без направляющей РНК) находили уникальные последовательности в геноме. Сложность с этими методами в том, что они требуют разработки под каждую конкретную задачу своего собственного белка, который затем нужно синтезировать, выделить, протестировать и т. д. Работать с универсальной нуклеазой и специфической направляющей РНК гораздо проще, но ученые не знали о такой возможности, пока не была открыта система бактериального иммунитета.

И при чем здесь бактерии?

За технологией CRISPR/Cas9, которую мы рассматриваем просто как способ редактирования генома, стоит фундаментальное и очень важное для современной биологии открытие. Оно заключается в том, что огромное число бактерий несут в своем геноме (где, казалось бы, все давным-давно понятно) изящную систему адаптивного иммунитета против вирусов. Основа этой системы это особые участки генома - короткие палиндромные кластерные повторы или CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats).

Повторы выступают в роли «полок», между которыми в геноме расположены «досье» на вирусы, с которыми когда-то сталкивались предки данной бактерии. «Досье» - это просто короткие фрагменты ДНК, которые совпадают по последовательности с фрагментами генома ДНК вирусов. Если вирус с совпадающей ДНК попадет в бактериальную клетку, он довольно быстро будет распознан специальным ферментом, нуклеазой Cas9. Последний для поиска вирусной ДНК использует синтезированную с CRISPR РНК-копию.

Если какой-либо фрагмент генома вируса точно совпал с тем, что записано в «досье», Cas9 разрезает вирусную ДНК и запускает цепь реакций, в результате которой вся она уничтожается. В общих чертах эта схема напоминает РНК-интерференцию, которая была открыта у ядерных организмов лет на десять раньше, но это (как и всё у эукариот) существенно более сложная и менее эффективная система.

Ближе к практике. Когда с помощью CRISPR/Cas9 будут лечить?

Уже лечат, хотя пока только лабораторных животных. В начале этого года появились обнадеживающие по лечению миодистрофии Дюшена у взрослых мышей, причем эксперименты были проведены в трех различных лабораториях независимо. Буквально на днях стало известно об успешном применении технологии для .

Стартап Editas Medicine, тесно связанный с первооткрывателями технологии, уже более 120 миллионов долларов инвестиций (в том числе от Google). Эти деньги пойдут на создание экспериментального лечения амавроза Лебера десятого типа - это наследственная слепота, связанная с повреждением одного из генов, необходимых для работы светочувствительных клеток сетчатки. Клинические (то есть на людях) испытания в Editas Medicine обещают начать .

Почему же китайская работа с эмбрионами вызвала скандал и зачем британцы разрешили работу только в исследовательских целях? В чем проблема?

Проблема в долгосрочных последствиях процедуры редактирования генома, которые сейчас сложно предсказать. Это звучит как бессмысленный алармизм, обычно исходящий из уст противников ГМО, но на самом деле здесь ситуация принципиально иная.

Эффективность редактирования с помощью CRISPR/Cas9 пока недостаточна для того, чтобы говорить о «точном как скальпель» исправлении генома - что бы там не писали авторы популярных изданий. Одновременно с нужным разрывом в геном часто вносятся и лишние, а это, как уже говорилось, провоцирует мутации. Даже если разрыв внесен правильно, эффективность гомологичной рекомбинации, за счет которой происходит замена исходной последовательности на нужную, очень далека от 100 процентов.

Какова реальная эффективность - вопрос более сложный, чем кажется, ведь она сильно зависит от типа и природы клеток, в которых проводится редактирование. То, что хорошо работает на мышах, может плохо работать на людях. И пока исследователи не станут работать с реальными человеческими эмбрионами и яйцеклетками об эффективности процедуры и уровне случайных разрывов можно будет только догадываться.

На сегодняшний день есть результаты только одного эксперимента с редактированием генома в человеческом эмбрионе - те самые, что были опубликованы китайской группой в апреле прошлого года (и отвергнуты Science и Nature по этическим основаниям). Тогда ученые работали с 86 оплодотворенными яйцеклетками, из которых 71 выжила и 54 были отобраны на анализ. В 28 из 54 клеток фермент Cas9 внес нужные разрывы в геном, но только в четырех случаях репарация разрыва завершилась заменой последовательности гена на нужную. Одновременно с этим ученые обнаружили в геноме клеток множественные разрывы там, где их не должно быть.

Такая низкая эффективность и высокий уровень ошибок оказались сюрпризом для самих авторов работы, о чем они честно признаются в статье. С чем эта низкая эффективность связана - с «кривыми» руками ученых или с особенностями человеческих эмбрионов, - будет непонятно до тех пор, пока эксперименты не будут многократно повторены другими группами. До сегодняшнего дня, когда Великобритания, наконец, разрешила их проводить, такой возможности у западных исследователей не было.

И что теперь будет?

Будем надеяться, что технологию удастся довести до приемлемого уровня точности и эффективности. Многое в этом направлении было сделано уже после публикации китайской работы. Например, в декабре прошлого года ученым удалось создать искусственную версию фермента Cas9, которая .

Эффективность замены последовательности повысить будет сложнее, так как она целиком полагается на природные механизмы гомологичной рекомбинации, но работа в этом направлении ведется. Однако даже если эффективность останется низкой, при отсутствии побочных эффектов технологию CRISPR/Cas9 все же можно будет применить для внесения наследуемых изменений в зародышевую линию человека. Например, можно взять у пациента клетки соединительной ткани, провести редактирование генома и отобрать только те из них, где редактирование прошло без осложнений. Эти клетки можно использовать для получения индуцированных стволовых клеток, из которых можно затем получить сперматозоиды и использовать их в ЭКО. Здесь возникают свои сложности, но по крайней мере на животных эта технология работает.

Но не все так радужно на CRISPR-горизонте. Чем ближе реальное клиническое применение технологии, тем сильнее разгорается спор о том, кто получит от нее доход. По некоторым оценкам, стоимость исключительного патента на технологию может достигать многих сотен миллионов долларов (по крайней мере в таких суммах измеряется объем венчурного финансирования CRISPR/Cas9-стартапов). Патентный спор вокруг CRISPR/Cas9 обещает быть громче, чем все, что когда-либо происходило в сфере интеллектуальной собственности на биотехнологии.

11 января этого года Ведомство по патентам и товарным знакам США (USPTO) начало процедуру проверки патентов, относящихся к CRISPR/Cas9, на предмет «интерференции». Чиновникам предстоит определить, какой из исследовательских групп, владеющих схожими патентами, следует отдать приоритет в создании технологии: в ход пойдут публикации, свидетельские показания, почтовая переписка и записи в лабораторных журналах. От исхода процесса будет зависеть будущее всей технологии, ведь законные владельцы смогут просто запретить использование своей технологии компаниями-конкурентами, а это, в конечном итоге, поставит крест на надеждах быстрого внедрения CRISPR/Cas9 в клинику.

Ученые, которые поначалу совместно пытались довести технологию до ума, разделились как минимум на два оппозиционных лагеря, каждый из которых претендует на приоритет открытия. С одной стороны, это Дженифер Дудна , которая совместно с Эммануэль Шарпетье опубликовала ключевую работу по практическому применению Cas9 при модификации генома. Вышла эта статья в конце 2012 года. Весной следующего года Дудна подала патент на эту технологию, но в том же году появилось множество сходных работ от других исследователей, которые пытались по-своему усовершенствовать метод. Один из них, Фен Женг (Feng Zhang) из Института Броуда подал собственный патент на CRISPR/Cas9 в октябре того же 2013. И хотя это произошло уже после подачи патента Дудны, патент Женг прошел по упрощенной процедуре и был выдан первым.

Сейчас в патентном споре в ход пошла крупная артиллерия: Эрик Лендер, профессор MIT и один из со-председателей Комитета по науке и технологиям при президенте США, на днях опубликовал в Cell «Герои CRISPR», в которой излагает свой взгляд на то, кто во всей этой истории внес наибольший вклад и почему. Чем вызван порыв Лендера разобраться в этом вопросе именно сейчас - желанием повлиять на патентное бюро или чисто академическим интересом, - не понятно. Вполне ожидаемо, однако, что он (как основатель Института Броуда, от которого Женг подавал свой патент), придает вкладу Дудны и Шарпентье не такое большое значение, как хотелось бы последним. Ясно, что Дудна и Шарпеньтье, каким бы большим ни был академический и аппаратный вес Лендера, не сдадутся без боя. Достаточно посмотреть на их

Инфографика на конкурс «био/мол/текст»: CRISPR/Cas - система адаптивного иммунитета бактерий и архей, которая пригодилась и эукариотам. Мы попытались предельно ясно отразить этот механизм, породивший взрыв в биологическом сообществе и, вероятно, сильно изменивший будущее науки и человечества. Из этой инфографики вы узнаете краткую историю изучения, механизм и возможные применения системы CRISPR/Cas.

«Био/мол/текст»-2016

Эта работа заслужила приз зрительских симпатий конкурса «био/мол/текст »-2016.

В конкурсе участвовала только инфографика!
Текст написала Ольга Волкова .

Генеральным спонсором конкурса, согласно нашему краудфандингу , стал предприниматель Константин Синюшин , за что ему огромный человеческий респект!

Спонсором приза зрительских симпатий выступила фирма «Атлас ».

Спонсор публикации этой статьи - Дмитрий Геннадиевич Калашников.

Как устроена иммунная система прокариот?

Системы CRISPR-Cas обнаружены почти у всех известных архей и половины бактерий. Чаще они находятся на хромосоме, реже - в составе фагов (вирусов бактерий) и других мобильных генетических элементов . Эти системы состоят из двух основных блоков: CRISPR-кассеты и прилегающего к ней кластера генов cas . Кассета - это блок прямых почти палиндромных («зеркальных», взаимокомплементарных последовательностей, способных складываться в шпильки) повторов размером 24–48 пар нуклеотидов. Эти повторы перемежаются спейсерами - уникальными вставками примерно такой же длины. Спейсеры идентичны различным участкам фагов и других мобильных элементов, когда-либо проникавших в эту клетку или ее предков. Число повторов в разных системах варьирует от единиц до сотен.

Таким образом, CRISPR можно считать коллекцией разделенных повторами «фотографий» нарушителей клеточных границ. Составляется эта коллекция простым заимствованием их кусочков, а чтобы противостоять новой инвазии этих же молекулярных агентов, коллекция должна регулярно «просматриваться» и обновляться. Для этой функции нужна лидерная последовательность , предшествующая череде повторов. Она богата «легкоплавкими» АТ-пáрами и содержит промотор, контролирующий транскрипцию CRISPR-кассеты («просмотр коллекции»).

Гены cas кодируют белки, берущие на себя всю тяжесть работы по встраиванию спейсеров и уничтожению агентов с идентичными последовательностями (протоспейсерами ) и помогающие процессировать CRISPR-транскрипт: разделять фото-гирлянду на отдельные портреты. Функцию уничтожения выполняют Cas-белки, называемые эффекторными . В зависимости от типа эффекторов все CRISPR-системы разделяют на два класса: у I класса мишень уничтожается мультибелковым комплексом, а у II - одним крупным белком. Далее эти классы подразделяются на шесть типов . Большинство эффекторов атакует ДНК, лишь один - исключительно РНК , редкие - обе молекулы. Один организм может содержать несколько разных систем, а спейсеры различаются в разных клетках даже одной популяции .

К чему это приводит, можно узнать из конкурсной статьи о бактериофагах и вечной гонке вооружений в фаговом и бактериальном мирах: «Пожиратели бактерий: убийцы в роли спасителей » . Кстати, там много интересных авторских электронных изображений фагов.

Для решения инженерных задач больше всего подходит система II типа, относящаяся ко II классу, - она самая простая. Именно ее эффекторный белок называется Cas9 - то самое обозначение, что фигурирует в современных системах редактирования генома.

Как формируется CRISPR-опосредованный иммунитет?

Если в бактерию или архею, снабженную CRISPR-системой, проникает вирус, включается адаптационный функциональный модуль системы: специфические Cas-белки - у всех систем это как минимум Cas1 и Cas2 - вырезают из чужака понравившиеся фрагменты. Подобрать протоспейсер в некоторых случаях помогает и эффекторный белок. Белки выбирают участки рядом с особой последовательностью PAM (protospacer adjacent motif ) - всего несколько нуклеотидов, но неодинаковых для разных CRISPR-систем. Затем эти же адаптационные белки встраивают фрагмент в CRISPR-кассету, всегда с одной стороны - у лидерной последовательности. Так образуется новый спейсер, а заодно с ним - и новый повтор. Весь этот процесс называют адаптацией , или приобретением, а по сути это - запоминание врага. Информацию обо всех запомнившихся врагах получает при делениях всё потомство клетки.

Как реализуется CRISPR-опосредованный иммунитет?

Для поиска повторно вторгающихся агентов CRISPR-кассета должна экспрессироваться . В результате ее транскрипции образуется длинная молекула РНК - pre-crРНК . С помощью РНКазы III и, как правило, Cas-белков транскрипт нарезается по повторам на отдельные crРНК - молекулы, содержащие один спейсер и кусочки окружающих его повторов (один из них длиннее). В системах II типа для этого процесса, называемого созреванием , необходим еще один участник - tracrРНК (trans-activating CRISPR RNA ), которая закодирована рядом с cas -кластером .

Далее у систем I класса crРНК взаимодействует с комплексом Cas-белков, а у систем II класса crРНК либо дуплексы tracrРНК-crРНК связываются с одним белком-эффектором, например Cas9. Так образуется интерференционный функциональный модуль - рабочая иммунная единица, состоящая из направляющей РНК и эффекторного белка (или комплекса). Совокупность таких единиц «сканирует» клетку в поисках интервентов.

При обнаружении комплементарной crРНК последовательности, то есть протоспейсера, модуль «слипается» с ней и определяет, не помечена ли она как «своя», клеточная. Если нет, и если к ней прилегает тот самый PAM, то эффекторный белок, который представляет собой эндонуклеазу , разрезает обе цепи ДНК в строго определенных местах. Весь процесс называется интерференцией . В особом случае, у системы VI типа, происходит РНК-интерференция , потому что эффекторный белок является рибонуклеазой и разрушает РНК. Так или иначе, атакованные фаги или плазмиды выводятся из строя. Ну и появляется лишняя возможность «наворовать» новые спейсеры.

Какие проблемы могут возникнуть при реализации иммунного ответа? Не исключено, что по мере удаления от лидерной последовательности, то есть от CRISPR-промотора, шансы спейсера транскрибироваться и созреть уменьшаются. Кроме того, есть мнение, что удаленные спейсеры со временем могут накапливать мутации, препятствующие эффективной интерференции с мишенью, или вовсе удаляться. Но раз адаптация новых спейсеров происходит вблизи промотора, удаленные спейсеры представляют собой фото агентов, давно не нападавших на эту клеточную линию, и в постоянной боеготовности по отношению к ним клетка не нуждается. Настоящей же проблемой могут стать даже однонуклеотидные мутации мишени. В общем, комплементарность в этом деле превыше всего.

А не приручить ли нам чужой иммунитет?

Детально изучив принципы работы стрептококковой системы CRISPR-Cas9 (II тип), ученые подумали: а почему бы не попробовать с ее помощью корректировать геномы других организмов? Появились новые надежды относительно лечения генетических (и не только) заболеваний человека, ведь этот способ редактирования in vivo мог оказаться эффективнее уже вовсю тестируемых в то время нуклеаз ZFN и TALEN .

Всё, что требовалось для новой технологии, - это разместить на векторах ген белка Cas9 и CRISPR-кассету, где спейсеры сделать идентичными местам генома, которые нужно изменить. Меняя число и тип спейсеров, можно модифицировать сразу несколько разных участков генома. Довольно быстро поняли, что tracrРНК и crРНК можно безболезненно объединить в одну химерную молекулу sgРНК (single-guide RNA ), а РНКазу III в эукариотических клетках спокойно подменяют другие рибонуклеазы. Ну и еще потребовалось оптимизировать систему для эукариотических клеток: подправить кодонный состав и добавить ядерный «адрес», чтобы она четко следовала к месту работы - хромосомам.

Получилась простая и, что немаловажно, дешевая двухкомпонентная система: ген cas9 и CRISPR-кассета транскрибируются в клеточном ядре выбранного организма, CRISPR-транскрипт нарезается на отдельные sgРНК, которые объединяются с белками Cas9 и ищут цель. Когда sgРНК находит комплементарный участок в геноме организма, Cas9 разрезает «натупо» обе цепи ДНК. Всё, работа CRISPR-системы на этом окончена. Теперь эстафета передается репарационным системам самогό организма. Они решают, как лучше залатать разрез: то ли просто сшить куски (это будет негомологичное соединение концов , NHEJ ), то ли, если есть подходящая матрица с флангами, комплементарными участкам ДНК с двух сторон от разрыва, поставить «заплатку» (это будет гомологичная рекомбинация). Так вот, первый вариант выгоден, если нужно что-то вырезать, второй - если нужно что-то вставить или заменить дефектный участок ДНК на нормальный, который просто вводят на подходящем векторе. Иногда используют гомологию с парной хромосомой, если на ней нужный локус не дефектный.

Разумеется, технология пока не лишена недостатков. Cas9, например, может проявлять нецелевую активность, «закрывая глаза» на мелкие несоответствия между sgРНК и мишенью. По словам К. Северинова, основная проблема - это биоинформатическое предсказание мишеней, поскольку, помимо наличия участка PAM, необходимо учитывать массу факторов, включая состояние хроматина. Кроме того, сценарий, по которому пойдет репарация разреза, не всегда соответствует желаемому, поэтому сейчас активно ищут факторы, влияющие на выбор этого сценария клеткой. Помимо оптимизации CRISPR-Cas9 и механизмов ее доставки в нужные клетки, ведется апробирование других типов CRISPR-систем .

Спектр применений CRISPR-Cas9 и ее модификаций

Точки приложения CRISPR-технологии можно условно объединить в три крупные группы: «CRISPR - для исследований», «CRISPR - для биотехнологий» и «CRISPR - для терапии».

1. «CRISPR - для исследований» . Технология позволяет изучать роль конкретных генов в процессах развития и жизнедеятельности организмов. Как вариант - устанавливать роль генов и их перестроек в возникновении и прогрессировании генетических болезней и рака: этот инструмент позволяет создавать прекрасные модельные системы .

Если Cas9 лишают одного нуклеазного домена, то белок становится никазой (nCas9 ) - режет только одну цепь ДНК, - а если лишают сразу двух, то белок становится инактивированным, или «мертвым» (dead , dCas9 ). Такой белок ничего не режет, зато систему CRISPR-dCas9 можно использовать для репрессии целых наборов генов или как платформу для конструирования более сложных регуляторных и модифицирующих комплексов. Например, если к ней привязать активирующий домен, то экспрессия целевых генов активируется. Для эпигенетической модификации нужных зон достаточно добавить модифицирующий домен. А пометив dCas9 флюоресцентными белками , можно визуализировать разные области хромосом. Ясно, что регуляторные возможности системы будут востребованы и в медицине. Кроме того, разные варианты CRISPR-Cas открывают новые возможности для скрининга мишеней лекарств .

2. «CRISPR - для биотехнологий» . Здесь речь идет о применении CRISPR-Cas9 как минимум для трех целей:

3. «CRISPR - для терапии» . Здесь пределов для фантазии, кажется, и вовсе нет. Если говорить о наследственных заболеваниях, то CRISPR-Cas9 в культурах клеток или животных моделях уже «примерили» для серповидноклеточной анемии и β-талассемии , M2DS-синдрома и миодистрофии Дюшенна , муковисцидоза (исправили мутантный CFTR-локус в кишечных стволовых клетках человека) и тирозинемии , катаракты (у мышей устранили доминантную мутацию в гене Crygc ) и пигментного ретинита . Вообще, болезни глаз сейчас в центре внимания, потому что в глаза генетические конструкции легко доставлять .

Преимущества коррекции генома в зародышевой линии (как совокупности любых генеративных клеток, связывающих друг с другом поколения организмов) и стволовых клетках очевидны, но даже изменения, вносимые в соматические клетки уже развитых органов, дают эффект. Особенно если речь идет о борьбе с болезнями печени и мышц. О результатах терапевтического применения CRISPR-Cas9 в разных типах клеток рассказывает свежий обзор .

Отдельное перспективное направление - борьба с хроническими вирусными заболеваниями типа гепатитов и ВИЧ-инфекции. Если возбудитель сохраняется в организме в виде провируса (вирусной ДНК, встроенной в клеточный геном), то его можно просто вырезать. Именно так и поступил коллектив биологов из США, избавив лимфоциты человека от ВИЧ (об этом сообщили сразу две «биомолекулярные» статьи: «Битва века: CRISPR VS ВИЧ » и «CRISPR/Cas9 как помощник в борьбе с ВИЧ » ). Правда, ВИЧ - объект крайне изменчивый, и с ним еще придется поломать копья.

Можно помечтать, что в терапии опухолей найдут применение варианты недавно описанной CRISPR-системы VI типа - той, что уничтожает только РНК, причем, как оказалось, любую клеточную РНК без разбора: запустить такую систему в раковую клетку - это как наслать на нее проклятье .

CRISPR-Cas - это не только иммунитет

Оказывается, для бактерий и их эволюции эта система значит намного больше.

Неканонические активности CRISPR-систем или их отдельных компонентов возникали как побочные продукты их иммунной функции либо как самостоятельно отбираемые признаки. Скорее всего, CRISPR-кассеты и Cas-белки когда-то работали порознь, причем исходная задача последних состояла в регуляции экспрессии генов и репарации ДНК . Современные компоненты CRISPR-Cas замечены:

Инфографика выполнена совместно с Павлом Чирковым, магистром факультета политологии Санкт-Петербургского государственного университета. Одним файлом ее можно скачать .

Литература

1. J. A. Doudna, E. Charpentier. (2014). The new frontier of genome engineering with CRISPR-Cas9 . Science . 346 , 1258096-1258096;
2. Ruud. Jansen, Jan. D. A. van Embden, Wim. Gaastra, Leo. M. Schouls. (2002).

2017 год еще раз продемонстрировал огромные возможности генетического редактирования в медицине. Например, оно может изменить трансплантологию. Рост квалификации хирургов и новые технологии позволяют проводить фантастические операции, но все эти чудеса остаются маловостребованными из-за крайне низкого числа донорских органов. Так, в Великобритании пересадка сердца ежегодно требуется 15 000 пациентам, но получить ее могут только 150. Решением может стать использование органов , чей таким образом, чтобы не вызывать негативных последствий для рецепиента. Не менее острая проблема - распространение устойчивых к антибиотикам бактерий - также может быть решена с помощью CRISPR. Сразу несколько команд исследователей работают над тем, чтобы уничтожать подобные «супермикробы» с помощью .

Генное редактирование впервые полностью излечило от ВИЧ

Сообщения о том, что с помощью CRISPR исцелили то или иное заболевание, становятся привычными. Так, ученым удалось вылечить и - правда, пока только у мышей. Скептики часто с сомнением реагируют на результаты, продемонстрированные на грызунах, но и для них есть потрясающие новости - например, о том, как мальчику, страдающему от редкого заболевания, пересадили квадратный метр . Новая кожа, заменившая 80% старой, пораженной болезнью, была выращена из 3 кв. см, которые подвергли воздействию модифицированного вируса. Возможно, уже в этом году мы увидим компании, которые поставят генную терапию на поток и начнут лечить с ее помощью серповидно-клеточную анемию, талассемию и другие . И, конечно, CRISPR продолжат использовать для борьбы с раком - например, модифицируя человека так, чтобы они эффективнее находили и уничтожали злокачественные опухоли.

Ученые наконец осуществили с помощью генного редактирования то, что еще недавно считалось фантастикой - изменили геном непосредственно в . Метод использовали для лечения болезни Хантера - редкого генетического заболевания, связанного с нехваткой важного фермента в печени. В организм 44-летнего мужчины ввели миллиарды копий корректирующих генов и инструментов, необходимых для их внедрения; в данном случае это была не CRISPR, а метод цинкового пальца. Исследователи рисковали, но у пациента, перенесшего 26 операций, не было выбора. В случае успеха ученые проведут аналогичную терапию для больных гемофилией и фенилкетонурией. Также в прошлом году с помощью CRISPR был впервые генетически модифицирован жизнеспособный человеческий эмбрион - вначале в , а затем в . В обоих случаях зародыш избавили от нескольких мутаций, отвечающих за наследственные заболевания, но развиваться ему не позволили из этических соображений. Впрочем, реальность американской работы научные оппоненты.

CRISPR как оружие

Генетическое редактирование может стать и настоящим оружием. О применении его против людей речи, к счастью, пока не идет - имеются в виду животные-вредители, например, комары. Сами по себе эти насекомые в подавляющем большинстве безвредные, но они способны переносить различные заболевания - от желтой лихорадки до малярии. Эти болезни наносят многомиллиардный ущерб мировой экономике и убивают сотни тысяч людей в год. Специалисты предлагают отредактировать геном комаров так, чтобы они больше не могли переносить возбудителей заболеваний. Другой вариант - истребить их полностью или существенно сократить популяцию, выпуская бесплодных самцов. Такой подход разделяет компания DARPA, вложившая в исследования «боевой» CRISPR . Экологи с беспокойством следят за подобными инициативами: уничтожение целого вида может разрушить экосистемы, а наличие технологии, способной истреблять популяции, в руках правительства или бизнеса, представляет серьезную угрозу для окружающей среды.

Билл Гейтс: «Генная терапия рака искоренит инфекционные заболевания»

С куда большим сочувствием эксперты смотрят в сторону Новой Зеландии, где с помощью CRISPR планируется . Когда-то в этой стране не было млекопитающих кроме ластоногих и летучих мышей, но человек завез сюда крыс, кошек, горностаев и поссумов. Млекопитающие быстро превратились во вредителей, уничтожающих местную фауну - в первую очередь птиц, миллионы лет живших в мире без хищников. Многие виды уже вымерли, и чтобы сохранить оставшееся биоразнообразие, правительство Новой Зеландии готово на жесткие меры. По плану, к 2050 году на островах не должно остаться завезенных животных. Традиционно в борьбе с ними использовали яд и ловушки, но создание генетической системы, самостоятельно распространяющейся по популяции и сокращающей успех размножения, куда эффективнее и безопаснее для аборигенных видов. В настоящее время новозеландские ученые изучают, не нанесет ли генетическая война больше вреда, чем пользы.

Компания Monsanto давно превратилась в глазах общественности в синоним «корпорации зла» из голливудских фильмов и пугает многих не меньше, чем гипотетическое «генетическое оружие». Однако цели, которые она озвучивает, кажутся благими: так, биотехнологический гигант планирует использовать CRISPR, чтобы вывести , более урожайные и устойчивые к экстремальным условиями среды. Возможно, именно эта технология поможет нагревающейся Земли. Сельское хозяйство будущего будет использовать и генную модификацию животных - например, в Китае уже создали , заменив часть их генов генами мышей.

Соперники и наследники CRISPR

При все своих достоинствах, CRISPR - несовершенная технология. При разрезании ДНК и внедрении в геном нужного гена не исключены ошибки: например, можно случайно задеть соседний ген или вызвать мутацию. Этих недостатков лишена , которую предложили специалисты из Медицинского института Говарда Хьюза. Вместо того, чтобы вставлять и вырезать целые куски ДНК, они заменяют отдельные нуклеотиды в ней, переписывая «буквы», которыми записан геном. CRISPR часто сравнивают с ножницами - в таком случае новую технологию можно назвать «карандашом». Она идеальна для исправления единичных вредных мутаций.

Другая альтернатива - эукариотическое многократное генное редактирование (eMAGE) - также позволит внедрять новые гены, . А исследователи из стартапа утверждают, что научились заменять поврежденные участки генома на отредактированные, используя естественные механизмы клеточного деления. По их словам, им удалось с помощью особых вирусов сделать этот процесс управляемым. Правда, нам следует дождаться строгой научной проверки заявленных результатов. Во многих случаях вместо генной модификации эффективнее использовать так называемое . В таком случае цепочка РНК, фермент и активатор транскрипции располагаются у нужного гена и запускают его работу. Ген не нужно вырезать или вставлять - достаточно восстановить его функцию.

На рынок США вышел первый препарат для генной терапии

Технологии

Возможно, разумнее всего не отказываться от CRISPR, а улучшить ее. Например, вирус, доставляющий РНК и фермент в ядро клетки, может быть атакован иммунной системой, что снизит эффективность метода. Чтобы избежать этого, в качестве вектора можно использовать . Технология была испытана сотрудниками МТИ на мышах и показала отличную эффективность: нужные гены оказались отредактированы в 80% клеток. Также технологию можно модифицировать для иных целей. Например, лишить этот инструмент возможности вырезать куски ДНК, оставив только умение прикрепляться к нужной точке генома. В таком случае CRISPR станет идеальной меткой, указывающей расположение мутаций, которые затем можно будет рассмотреть с помощью атомно-силового микроскопа. Это позволит, например, выявлять , ведущие к различным заболеваниям. Метод будет более эффективным, нежели традиционные секвенирование и флуоресцентная гибридизация.

Страхи и сомнения

Как и любая новая технология, генное редактирование вызывает в обществе недоверие. Многие из нас до сих пор боятся есть продукты с ГМО, так что не стоит удивляться протестам против вмешательства в генетический код человека или популяций диких животных. Но если многие страхи легко списать на биологическую неграмотность, то у специалистов по этике есть более серьезные возражения. Что если, научившись редактировать геном эмбрионов ради борьбы с генетическими заболеваниями, мы станем производить на свет «дизайнерских» младенцев с заранее известным цветом глаз и уровнем интеллекта? Специалисты в области генетики считают эти страхи обоснованными, но . Во-первых, геном не определяет то, чем мы являемся, на 100% - не менее важную роль играют воспитание и среда, в которой мы развиваемся. Во-вторых, две других технологии, внедрение которых считали первыми шагами к антиутопиям в духе «Гаттаки», за десятилетия показали свою безопасность. Речь идет об ЭКО и амниоцентезе (анализе околоплодных вод и тканей плаценты). Скорее всего, так же будет и с CRISPR, хотя государственный контроль ее использованию не повредит.

И он уже осуществляется: так, продавать наборы для генетического редактирования в домашних условиях (которые, судя по всему, еще и совершенно бесполезны). Тем, кто хочет поиграть в генного инженера, лучше делать это под присмотром специалиста, например, на курсах, которые организует нью-йорский стартап . За $100 в месяц любой желающий сможет получить доступ к лаборатории и всему необходимому оборудованию. А за $400 можно пройти интенсивный четырехдневный курс технологии CRISPR на примере дрожжей. Хотя большинство участников приходят в лаборатории ради развлечения, с собой они уносят знания о генном редактировании и этических нормах при работе с ним.

Москва, 12 фев — РИА Новости, Татьяна Пичугина. Выступая на Совете по науке и образованию, в котором принял участие глава государства Владимир Путин, академик Ольга Донцова рассказала о "природоподобной" технологии изменения генома CRISPR. В интервью РИА Новости она объяснила, почему в нашей стране следует активнее поддерживать этот метод генной инженерии.

В геноме бактерий содержатся участки, которые играют роль своеобразной иммунной системы, защищающей от бактериофагов — бактериальных вирусов. В 2012 году ученые обнаружили, что эту систему можно модифицировать таким образом, чтобы редактировать с ее помощью геном других организмов.

Система включает молекулу РНК (CRISPR), в которую можно вставить желаемый участок узнавания в геноме, а также участок взаимодействия с белком-ферментом Cas9, который, собственно, разрезает ДНК в клетке другого организма. Таким образом, РНК направляет в нужное место фермент, который вносит разрыв в молекулу ДНК. Далее природная система (она называется "негомологическое соединение концов") сшивает разрыв, при этом могут теряться или добавляться нуклеотидные остатки, меняя таким образом генетическую информацию в месте разреза. В итоге в заранее выбранном участке ДНК возникает мутация.

По словам Ольги Донцовой, возглавляющей кафедру химии природных соединений химического факультета и отдел структуры и функций РНК НИИ физико-химической биологии имени А. Н. Белозерского МГУ, геномное редактирование позволит создавать новые породы селькохозяйственных животных, сорта растений, даст возможность облегчить состояние людей с редкими генетическими заболеваниями и многое другое.

Академик назвала технологию CRISPR/Cas "прорывной" и "природоподобной", поскольку она основана на естественной системе, существующей у бактерий. В ответ на это Владимир Путин поставил задачу в кратчайшие сроки разработать программу геномных исследований.

— Ольга Анатольевна, поясните, почему вы обратили внимание главы государства на технологию геномного редактирования?

— Потому что это прорыв, можно сказать, третья революция в молекулярной биологии после открытия спирали ДНК Уотсоном и Криком и расшифровки генома. CRISPR/Cas позволяет легко и быстро манипулировать с геномом на "природном уровне". Как я объясняла в докладе президенту, это когда мы ничего не делаем в клетке сверх того, что может и природа. С помощью этой технологии, конечно, нам подвластны и более сложные задачи, сугубо для научных исследований. Но широкие перспективы открываются перед самыми разнообразными областями: это не только появление новых полезных сельскохозяйственных культур и пород животных с заданными свойствами, но и разработки систем производства полезных продуктов, например лекарств, когда бактерии, дрожжи и разные клеточные культуры вырабатывают нужные нам вещества. В докладе я упомянула только один аспект применения в медицине (речь идет о миодистрофии Дюшена, редком наследственном заболевании, которое приводит к деградации мышц. — Прим. ред.), но вот, к примеру, у некоторых скандинавов наблюдается мутация, в результате которой они не заражаются ВИЧ. Почему бы не внести направленные мутации в соматические клетки уже больного человека, что поможет остановить распространение вируса по клеткам организма? Это революционная технология, которая в корне меняет представление о том, что мы можем делать с генами и что нет.

— Вы рассказали, что с помощью особой системы разрезают спираль ДНК, которая затем сама себя восстанавливает. Как это происходит?

— Дело в том, что геномный редактор разрезает обе цепи в спирали ДНК. А это очень плохо для клетки, потому что она тогда не может делиться. Она начинает подавать тревожные сигналы с помощью специальных молекул о том, что у нее есть двухцепочечный разрыв. Сигнал распознает особая ферментативная система негомологического соединения концов и начинает сшивать ДНК. Она либо отрезает от цепочек несколько лишних нуклеотидных остатков, либо их добавляет. В зависимости от того, на сколько нуклеотидов изменился фрагмент ДНК, ген, на который мы нацелили редактор, либо перестает работать, "выключается", либо возникает мутация — замена одной аминокислоты на другую, потеря или вставка одной, нескольких аминокислот. Далее ученые могут выбрать ту линию клеток (или животных, растений), которые несут именно то изменение, которое запланировано. То есть, можно сделать так, что ген-мишень продолжает функционировать, белок вырабатывается, но уже немного другой, измененный нужным образом.

— Получается, что CRISPR-системой мы можем выключить какой-то ген в ДНК или что-то в ней поменять?

— Да, выключить или сделать точечную мутацию. Можем добавить в геном дополнительную матрицу, чтобы прочитать ту последовательность, которую нам нужно туда вставить, и таким образом можем заменить какую-то аминокислоту. Это тоже природная ситуация. Что такое генномодифицированные организмы, которых многие боятся? Это когда в геном одного организма встраивают чужой ген — из другого организма. Невозможно предсказать, в какое место ДНК он встроится. В новой технологии никаких чужих генов мы не встраиваем и вообще ничего не делаем сверх того, что не могла бы сделать сама природа. Появился такой инструмент, который позволяет не ждать милости от природы, а быстро и направленно в одном конкретном месте ДНК, которое мы хотим изменить, что-то включить или выключить.

— Допустим, мы выключили какой-то дефектный ген. Почему ДНК не восстанавливается заново с тем же дефектом?

— А потому что мы в обеих цепочках ДНК сделали изменение, обе разорвали. В принципе, существует механизм исправления двухцепочечного разрыва. Гомологическая рекомбинация называется. Она больше используется в конце фазы деления клетки, когда у нас не две, а четыре копии ДНК. Тогда для правильного прочтения и восстановления генома используется вторая копия. Этот механизм, кстати, можно применить для более точного редактирования.

— То есть у метода есть проблемы с точностью?

— Как и у любого научного метода. Собственно, ученые сейчас работают над тем, чтобы повысить его точность. В процессе редактирования генома могут возникать ненужные мутации. Экспериментируя с клетками, ученые обязаны убедиться, что не внесли в их геном ничего непредусмотренного.

— Когда мы говорим об исправлении генома у человека с редким генетическим заболеванием, то речь идет о конкретном индивиде? У его детей генетический дефект проявится?

— Мы можем изменить геном отдельных клеток конкретного больного, чтобы помочь ему справиться с заболеванием, но у его потомков мутация сохранится. Чтобы изменить геном и в половых клетках, нужно вторгаться в эмбрион. Но я считаю, что изменять геном эмбриона человека неэтично. Нельзя этого делать. Вмешиваться в геном эмбриона недопустимо, с моей точки зрения.

— В докладе вы говорили о возможности создания курицы без перьев или картошки без крахмала? Как мы получим такие породы, сорта?

— Это как раз самое простое. Нам известен метаболический процесс, в результате которого вырабатывается крахмал. Если выключить один из ферментов в этом процессе, то получим картошку, если и не совсем без крахмала, то со сниженным его содержанием. Или, к примеру, есть ген, который регулирует развитие мышц. Он в процессе развития организма выключается. Если помешать этому выключению, то получим супермясное животное, которое будет просто под тяжестью своего мяса с трудом передвигаться. Такие эксперименты уже описаны в научной литературе.

Чтобы получить породу, геном редактируют на уровне эмбрионов. Такие эксперименты проводят в лаборатории геномного редактирования МГУ под руководством профессора Петра Сергиева.

— Наши ученые имели какое-то отношение к открытию системы CRISPR?

— Открытие сделали за рубежом, но наши ученые развивают его. К примеру, в Сколтехе под руководством Константина Северинова занимаются разработкой других систем редактирования генома. Это важно, потому что новую систему можно запатентовать. Кроме того, остается проблема точности редактирования, которую решают разными путями.

Много научных групп у нас практически применяют эту технологию в опытах на клеточных культурах, что не менее важно, потому что первые модельные эксперименты делают сначала на клеточной линии, а потом уже на организме.

— Мы можем продемонстрировать уже в ближайшее время какие-то практические результаты, полученные с помощью метода геномного редактирования?

— В области фундаментальной науки эти новые идеи мы быстро освоили, а вот с точки зрения практики немножко отстаем. Но если будет государственная программа, то и практические результаты, безусловно, появятся.