Technologia edycji genów wykorzystująca system CRISPR-Cas9 może prowadzić do wielu niepożądanych mutacji. Do takiego wniosku doszli naukowcy z Columbia University Medical Center. „Lenta.ru” opowiada o nowym badaniu, którego wyniki zostały opublikowane w czasopiśmie Nature Methods.
CRISPR / Cas9 to mechanizm molekularny, który istnieje wewnątrz bakterii i pozwala im zwalczać wirusy za pomocą bakteriofagów. CRISPR to „kasety” w DNA mikroorganizmu, które składają się z powtarzających się odcinków i unikalnych sekwencji zwanych przerywnikami. Te ostatnie to fragmenty wirusowego DNA. Zasadniczo CRISPR można traktować jako bank danych zawierający informacje o genach czynników chorobotwórczych. Białko Cas9 wykorzystuje te informacje do prawidłowej identyfikacji obcego DNA i uczynienia go nieszkodliwym poprzez cięcie w określonym miejscu.
Dokładność CRISPR / Cas9 pozwala na użycie go jako narzędzia do edycji genów, które jest znacznie bardziej skuteczne niż dotychczas istniejące metody. Badacze wprowadzają kasetę DNA zawierającą gen białka Cas9 i region kodujący specjalną ukierunkowaną cząsteczkę RNA (sgRNA) do komórki, w której genomie mają zostać dokonane zmiany. Ten ostatni może przyczepić się do określonego miejsca w genomie, wskazując Cas9, gdzie należy wyciąć. Następnie możesz wstawić żądany gen lub grupę genów do przerwy, tworząc zmodyfikowaną komórkę.
Zaletą CRISPR / Cas9 jest to, że może dokonywać precyzyjnych zmian, zmniejszając liczbę niechcianych cięć (efektów poza celem) w innych częściach genomu. Ponadto oszczędza czas i pieniądze - w przeciwieństwie do innych powszechnie stosowanych metod wykorzystujących enzymy nukleazy. System CRISPR jest bardziej odpowiedni w sytuacjach, w których należy skorygować kilka wadliwych genów na raz, ponieważ wymaga jedynie syntezy odpowiedniego sgRNA. W przypadku nukleaz, dla każdego miejsca DNA konieczne jest zbudowanie własnego, specyficznego enzymu, który jest dłuższy i droższy.
CRISPR / Cas9 Zdjęcie artystyczne Źródło: Steve Dixon / Feng Zhang / MIT
Technologia szybko stała się popularna nie tylko wśród naukowców, ale także w kulturze popularnej. Na przykład pojawia się w fabule niektórych odcinków nowego sezonu Z Archiwum X jako broń masowego rażenia. Dyrektor wywiadu narodowego USA James Clapper również wyraził swoje zaniepokojenie, który uważa, że inżynieria genetyczna jest zagrożeniem. Jednak każda technologia jest niebezpieczna, jeśli jest używana nieprawidłowo. Na przykład nieudolne i częste stosowanie antybiotyków, które uratowały życie setek tysięcy ludzi, napędza powstawanie opornych na środki przeciwdrobnoustrojowe superbakterii.
Mimo fikcji CRISPR / Cas9 sam w sobie, podobnie jak antybiotyki, nie może być używany jako broń niszczenia ludzi. Ale możesz stworzyć zmodyfikowane organizmy, takie jak komary, które będą rozprzestrzeniać wadliwy gen w swojej populacji, co może prowadzić do silnego spadku liczby owadów wysysających krew. Biolodzy nalegają, aby zachować szczególną ostrożność przy takich zastosowaniach.
Komórki odpornościowe atakują wzrost nowotworowy Zdjęcie: Steve Gschmeissner / Science Photo Library
Film promocyjny:
Jednocześnie wiele biotechnologii uważa, że technologia ta pozwoli z powodzeniem leczyć groźne choroby, w tym te wywołane przyczynami genetycznymi. Na przykład pod koniec 2016 roku Chiny eksperymentowały już z leczeniem agresywnego raka płuc. Komórki odpornościowe pacjenta zostały usunięte, a gen hamujący walkę z nowotworami złośliwymi został wyłączony. Procedura modyfikacji genomu zakończyła się powodzeniem, a komórki zostały ponownie wprowadzone do organizmu pacjenta.
CRISPR / Cas9 ma swoje wady. W ten sposób DNA rozerwane przez molekularne „nożyczki” traci część sekwencji, co zapobiega edycji „punktowej”, to znaczy zastąpieniu pojedynczego nukleotydu. Biotechnolodzy tworzą ulepszone wersje systemu, pokonując te ograniczenia. Na przykład południowokoreańscy naukowcy połączyli enzym Cas9 z innym białkiem, deaminazą cytydyny. To nauczyło CRISPR / Cas9 dokonywania podstawień pojedynczych nukleotydów.
Jest jednak inny problem. Faktem jest, że ta technologia może również wprowadzać niepożądane mutacje, a naukowcy nie do końca rozumieją, jak można to wyeliminować. Jeśli chodzi o leczenie ludzi, ryzyko jest nadal nieracjonalnie wysokie: zmiany uboczne w genomie mogą znacznie zaszkodzić zdrowiu.
Niektóre algorytmy mogą przewidywać, gdzie w genomie można dokonać niepotrzebnych wymian. Działają bardzo dobrze, gdy CRISPR modyfikuje pojedyncze komórki lub tkanki, ale nie są stosowane w przypadku organizmów żywych.
Struktura CRISPR / Cas9 Zdjęcie: Ian Slaymaker / Broad Institute
Na przykład biotechnolodzy z Columbia University wykorzystali technologię do usuwania mutacji wywołujących barwnikowe zapalenie siatkówki. W tym celu komórki skóry zostały pobrane od pacjenta i przeprogramowane na komórki macierzyste. Wadę następnie skorygowano za pomocą kasety CRISPR. Takie zmodyfikowane komórki można przekształcić w komórki siatkówki i przeszczepić pacjentowi w celu przywrócenia wzroku.
Ponadto ci sami naukowcy stworzyli genetycznie zmodyfikowane myszy, którym wstrzyknięto CRISPR na etapie zygoty. Następnie naukowcy zsekwencjonowali (określili sekwencję nukleotydów) cały genom myszy. Chociaż CRISPR z powodzeniem korygował gen, w którym defekt spowodował ślepotę, wprowadził również ponad 1500 mutacji pojedynczych nukleotydów i ponad 100 delecji (delecje krótkich odcinków) i insercji. Żadna z tych niepożądanych zmian nie została przewidziana przez algorytmy komputerowe.
Modyfikacja genomu to dobry sposób leczenia chorób dziedzicznych, które są obecnie nieuleczalne. Według Stephena Tsanga on i jego współautorzy uważają, że naukowcy zajmujący się inżynierią genetyczną powinni być świadomi potencjalnych niebezpieczeństw niepożądanych mutacji, które pojawiają się podczas edycji DNA. Takie mutacje obejmują zarówno substytucje nukleotydów w regionach kodujących genomu, jak i w regionach niekodujących, w których znajdują się elementy regulatorowe (kontrolują aktywność genów).
Pomimo mutacji myszy radziły sobie dobrze. Biotechnolodzy są optymistami co do terapii genowej, ponieważ każda interwencja medyczna ma skutki uboczne. Musisz tylko wiedzieć, czym one są. W przyszłości poprawi to technologię, aby zminimalizować efekty niecelowe.
Alexander Enikeev