Ingineria genetică deschide omenirii oportunități de a crea organisme inexistente anterior și distrugerea bolilor genetice. Cu toate acestea, lucrurile nu sunt atât de roz, deoarece chiar și descoperirea tehnologiei CRISPR / Cas9 este departe de a fi perfectă. Greșelile pe care le face poate fi rară, dar una este suficientă pentru a deveni fatală pentru o persoană. Lenta.ru vorbește despre ceea ce nu este în regulă cu CRISPR și despre modul în care oamenii de știință încearcă să remedieze situația.
Sistemul CRISPR / Cas9 - un fel de foarfece ADN - este considerat pe bună dreptate o revoluție în domeniul ingineriei genetice. Cu ajutorul său, oamenii de știință pot edita genomul uman, eliminând mutațiile dăunătoare din acesta și tratând astfel bolile ereditare neplăcute și mortale. Cu toate acestea, nu trebuie să ne gândim că nu existau astfel de metode înainte. În arsenalul genetiștilor se găseau, de exemplu, nucleaze care conțin „degete” de zinc, și endonucleaze - enzime care sparg moleculele ADN în locuri specifice. În ceea ce privește precizia, versatilitatea și costul, acestea sunt vizibil inferioare CRISPR / Cas9, deși acesta din urmă este departe de a fi perfect.
CRISPR / Cas9 a fost creat inițial nu de oameni de știință, ci de natură. Este un mecanism molecular din interiorul bacteriilor care le permite să combată bacteriofagii și alți paraziți. De fapt, funcționează ca o imunitate împotriva infecției. CRISPR (înseamnă „repetări palindromice scurte, distanțate în mod regulat în grupuri”) sunt regiuni speciale (loci) ale ADN-ului. Acestea conțin fragmente scurte de viruși ADN care odată au infectat strămoșii bacteriilor de astăzi, dar au fost învinși de apărarea lor internă. Aceste piese se numesc distanțieri și sunt separate unele de altele prin repetarea secvențelor.
Când un bacteriofag invadează o bacterie, fiecare secvență repetată și distanțier adiacent sunt utilizate ca șablon pentru sinteza moleculelor numite crRNA. Se formează multe lanțuri diferite de ARN, care se leagă de proteina Cas9, a cărei sarcină este extrem de simplă: tăierea ADN-ului virusului. Cu toate acestea, el va putea face acest lucru numai după ce crARN va găsi un fragment complementar de ADN viral. După ce Cas9 sparge acidul nucleic străin, acesta din urmă este complet distrus de alte nucleaze.
CRISPR / Cas9 este bun tocmai pentru acuratețea sa, deoarece pentru bacterii funcționarea corectă a sistemului imunitar este o chestiune de viață și moarte. Sistemul „antivirus” trebuie să găsească o secțiune de ADN viral printre un milion de alții și, cel mai important, să nu-l confunde cu propriul său genom. De-a lungul a milioane de ani de evoluție, bacteriile au perfecționat acest mecanism. Așa că, imediat după ce și-au dat seama de ce este nevoie de un sistem CRISPR, și-au dat seama că acesta ar putea fi îmblânzit ca un instrument de editare genetică fără precedent.
Pentru a înlocui o regiune specifică din genom cu alta, este necesară sintetizarea ARN-ului ghid, care este similar în principiu cu ARNc. Îi spune lui Cas9 unde este necesar să se facă o pauză cu două fire în ADN-ul organismului modificat. Cu toate acestea, nu este nevoie să stricăm gena, ci să o modificăm - de exemplu, înlocuim una sau mai multe nucleotide și eliminăm mutația dăunătoare. Aici natura vine din nou în salvare. Mecanismele naturale de reparare încep imediat să refacă lanțul tăiat. Trucul este că, pentru aceasta, unele fragmente de ARN sunt îndepărtate lângă pauză, după care sunt inserate secvențe similare acolo. Oamenii de știință le pot înlocui cu propriile lor secvențe de ADN și astfel pot modifica genomul.
Reprezentarea schematică a CRISPR
Video promotional:
Imagine: Kaidor / Wikipedia
Cu toate acestea, nimic nu este perfect. În ciuda acurateței relative, sistemele CRISPR fac uneori greșeli. Unul dintre motive se află în însăși natura sistemului. Este dezavantajos ca bacteriile pentru ARNc să coincidă cu 100% cu un fragment de ADN viral, care poate diferi cu una sau două nucleotide. Este mai bine pentru ea că unele nucleotide ar putea fi diferite, ceea ce oferă microorganismului o șansă mai mare de a combate infecția. În același timp, în ingineria genetică, specificitatea scăzută amenință cu erori: schimbările pot fi făcute într-un loc greșit. Dacă acest lucru se întâmplă în timpul experimentelor pe șoareci, atunci nu există nicio tragedie specială, dar editarea genomului uman s-ar putea transforma într-un dezastru.
Aceasta explică îngrijorarea oamenilor de știință occidentali cu privire la experimentele care se desfășoară în China. Cercetătorii asiatici au folosit tehnologia CRISPR pentru a modifica genetic embrionii umani. Astfel de experimente au fost interzise în Europa și Statele Unite, dar recent Marea Britanie le-a permis - numai în scopuri de cercetare. Astfel de embrioni vor trebui distruși în câteva săptămâni de la primire, ceea ce exclude „reproducerea” persoanelor modificate genetic.
Cu toate acestea, CRISPR / Cas9 nu ar fi atât de grozav dacă nu ar putea fi îmbunătățit. Deci, oamenii de știință l-au învățat pe Cas9 să taie nu două lanțuri simultan, ci doar unul. Tăierea se face în două locuri diferite din secvența ADN pe diferite fire, astfel încât sistemul trebuie să fie capabil să recunoască de două ori mai multe nucleotide decât în mod normal, făcându-l mai precis.
Proteina Cas și crARN
Foto: Thomas Splettstoesser / Wikipedia
Oamenii de știință de la Universitatea Western Ontario au găsit o altă modalitate de a îmbunătăți această tehnologie. Încercau să rezolve problema reparării ADN-ului tăiat. Restaurarea rapidă a lanțului de acid nucleic duce la faptul că oamenii de știință nu au timp să-și facă propriile corecții ale genomului. Astfel, se creează un cerc vicios: lanțul, reparat într-un mod nedorit, trebuie tăiat din nou cu proteina Cas9.
Pentru a preveni acest lucru, cercetătorii au modificat foarfeca de proteine pentru a crea proteina TevCas9. Tăie firul de ADN în două locuri, ceea ce face dificilă repararea amplasamentului. Pentru a sintetiza noua enzimă, enzima I-Tevl a fost adăugată la Cas 9, care este, de asemenea, o endonuclează, adică o proteină care scindează o moleculă de ADN în mijloc, mai degrabă decât scindează capetele secvenței, așa cum fac exonucleazeele. Proteina de fuziune rezultată s-a dovedit a fi mai precisă în legarea la site-uri specifice și mai puțin probabil să facă o greșeală și să taie locul greșit.
Structura cristalină a Cas9 legată de ADN
Foto: proiect wiki Cas9 / Wikipedia
Există o altă modalitate de a îmbunătăți precizia sistemelor CRISPR. „Cursa armamentelor” dintre bacterii și viruși a condus nu numai la dezvoltarea sistemelor de apărare în microorganisme, ci și la modalități de neutralizare a acestora. Astfel, bacteriofagii mută rapid, pierzând zonele prin care imunitatea bacteriană le recunoaște. Cu toate acestea, unele coduri pentru proteinele anti-CRISPR, care interferează cu activitatea complexului crRNA-Cas9.
Pe 8 decembrie, revista Cell a publicat un articol al oamenilor de știință de la Universitatea din Toronto care au creat „anti-CRISPR” - un sistem care vă permite să opriți mecanismul în anumite condiții. Previne erorile nedorite prin suprimarea activității Cas9 în cazul în care ARN-ul ghid se leagă de fragmentul greșit. Anti-CRISPR constă din trei proteine care inhibă nucleaza și sunt codificate de genele unuia dintre virusurile bacteriene.
Deja, tehnologia CRISPR este utilizată pentru a trata boli grave, cum ar fi leucemia și cancerul pulmonar, și este, de asemenea, testată pentru a curăța celulele imune de HIV. Pe măsură ce oamenii de știință găsesc noi modalități de a îmbunătăți această metodă, se vor deschide tot mai multe oportunități de aplicare a acesteia.
Alexandru Enikeev
