Oamenii de știință au mari speranțe în tehnologia CRISPR / Cas9, care permite modificări de înaltă precizie în genomul organismelor vii, inclusiv al oamenilor. Toate articolele științifice noi sunt publicate descriind diferite tipuri de sisteme CRISPR, precum și modificările acestora. „Lenta.ru” vorbește despre descoperirile din acest domeniu, făcute în 2016.
Mii dintre ei
CRISPR / Cas9 este un sistem de imunitate adaptivă bacteriană care permite microorganismelor să lupte împotriva virușilor. Se compune din distanțieri - secțiuni ADN corespunzătoare anumitor fragmente (protospazatoare) ale ADN-ului agentului infecțios. Distanțierii codifică molecule specifice de ARNc care se leagă de enzima Cas9. Complexul rezultat se atașează la lanțul ADN al virusului, iar Cas9 funcționează ca o foarfecă, tăind-o.
De fapt, CRISPR / Cas9 este doar unul dintre multele sisteme similare pe care le au bacteriile și archaea. Oamenii de știință le împart în două clase. Prima clasă include sisteme CRISPR de tipurile I, III și IV, iar a doua - II și V. Tipul II conține proteina Cas9 implicată în achiziționarea de noi distanțieri, acumularea de ARNc în celulă și clivajul ADN-ului. În alte sisteme, complexele multi-proteice sunt utilizate în aceste scopuri. Acest lucru face ca tipul II să fie cel mai simplu tip de sistem CRISPR potrivit pentru nevoile de inginerie genetică.
La rândul lor, tipurile pot fi împărțite în subtipuri, în funcție de care gene suplimentare sunt asociate cu CRISPR. De exemplu, sistemele IIA conțin gena csn2, care codifică o proteină care se leagă de ADN și este implicată în achiziționarea de distanțiere. În sistemele IIB, csn2 este absent, dar există o genă cas4, a cărei funcție este încă necunoscută, iar sistemele IIC nu au nici csn2, nici cas4.
Comori din bacterii
Video promotional:
Toate sistemele CRISPR cunoscute au fost descoperite de oamenii de știință în bacterii cultivate în condiții de laborator. Cu toate acestea, există un număr imens de microorganisme necultivate, care includ atât arhee, cât și bacterii. De obicei trăiesc în condiții extreme - izvoare minerale sau corpuri de apă toxice în minele abandonate. Cu toate acestea, cercetătorii pot izola ADN-ul de la ei și pot identifica regiuni specifice din acesta. Într-o nouă lucrare publicată în Nature pe 22 decembrie, geneticienii de la Universitatea din California, Berkeley au decodat genomii din comunitățile microbiene naturale, descoperind alte variații ale sistemului CRISPR.
Bacteriofag - un virus care infectează bacteriile
Imagine: Giovanni Cancemi / Depositphotos
Oamenii de știință au reușit să afle că unele tipuri de nanoorganisme asemănătoare archei puțin studiate ARMAN posedă, de asemenea, CRISPR / Cas9, deși anterior se credea că doar bacteriile le au. Se remarcă faptul că acest sistem ocupă o poziție intermediară între subtipurile IIC și IIB și poate servi drept apărare împotriva genelor parazitare („sărituri”) (transpozoni) care intră în microorganism din alte arhee. O încercare de a reproduce activitatea arheeală CRISPR / Cas9 în E. coli (Escherichia coli) nu a dus la nimic, ceea ce indică existența unor mecanisme specifice suplimentare care reglementează sistemul.
Noi tipuri de sisteme din clasa a doua, CRISPR / CasX și CRISPR / CasY, au fost, de asemenea, izolate de bacteriile care trăiesc în apele subterane și sedimente. Sistemul CRISPR / CasX include proteinele Cas1, Cas2, Cas4 și CasX. Acesta din urmă, așa cum se arată în experimentele pe E. coli, se distinge prin activitatea de nuclează, adică este capabil să scindeze ADN străin precum Cas9. Cu toate acestea, acest lucru se întâmplă numai dacă secvența TTCN se află în fața protospazierilor, unde N este oricare dintre cele patru nucleotide. Astfel de secvențe se numesc PAM (motiv adiacent protospacer - motiv adiacent protospacer). Sistemul CRISPR / Cas9 are, de asemenea, propriul său PAM - NGG, care ar trebui să fie localizat după protospacer. În plus, CRISPR / CasY este capabil să taie ADN-ul dacă există o secvență TA PAM lângă locul țintă.
Care este promisiunea acestei descoperiri? Faptul este că sistemele detectate sunt cele mai compacte cunoscute în acest moment. Potrivit oamenilor de știință, cantitatea mică de proteine necesare pentru munca lor face ca CRISPR / CasX și CRISPR / CasY să fie instrumente convenabile pentru editarea ADN-ului. Mai mult, cercetarea metagenomică, în care este studiat ADN-ul obținut din mediu, va dezvălui alte tipuri de sisteme CRISPR care sunt utile pentru ingineria genetică.
Calea către excelență
Desigur, există o alternativă la căutarea sistemelor CRISPR în natură - îmbunătățirea tehnologiei CRISPR / Cas9 deja existente. În ciuda preciziei sale ridicate, face greșeli tăind ADN-ul într-un loc greșit. Acest lucru face dificilă modificarea corectă a genelor și, prin urmare, tratarea eficientă a bolilor ereditare. Prin urmare, oamenii de știință caută modalități de a îmbunătăți performanța sistemului. În 2016, au existat multe lucrări științifice dedicate modificării CRISPR și transformării acestuia în diverse instrumente genetice.
Proteina Cas9 și ARNc - principalele componente ale sistemului CRISPR
Imagine: Steve Dixon / Feng Zhang / MIT
Deci, 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 oprește mecanismul în anumite condiții. Acest lucru face posibilă suprimarea activității Cas9 dacă ARN-ul ghid se leagă de fragmentul greșit și previne erorile. Anti-CRISPR este compus din trei proteine care inhibă nucleaza. Firește, inițial nu a fost inventat de oamenii de știință, ci de viruși, care astfel neutralizau imunitatea bacteriilor.
În iunie, cercetătorii americani, împreună cu colegii din Rusia, au confirmat că sistemul CRISPR / C2c2, obținut din fusobacteria Leptotrichia shahii, este capabil să taie ARN monocatenar. Ca rezultat, sistemul CRISPR poate fi utilizat pentru eliminarea - suprimarea funcțiilor - ARN messenger, care transportă informații de la gene la ribozomi, unde proteinele sunt sintetizate pe baza sa.
În luna mai, cercetătorii de la Universitatea din California au creat tehnologia CRISPR-EZ, care permite introducerea de noi molecule de ADN în genomul embrionilor de șoareci cu aproape sută la sută de succes. Sistemul CRISPR / Cas9 este introdus în ouăle animalelor fertilizate folosind un ac microscopic și o descărcare electrică mică. În experimentul lor, oamenii de știință au reușit să introducă o mutație într-o genă la 88% dintre șoareci. Acest lucru depășește numărul de șoareci modificați genetic produși prin editare CRISPR, care utilizează injecții convenționale.
În aprilie, folosind o variantă mutantă a Cas9 care nu are activitate de nuclează, biologii moleculari de la Școala de Medicină a Universității din Massachusetts au dezvoltat tehnologia CRISPRainbow. ARN-ul ghid, care indică locul în care se atașează enzimele, conținea etichete fluorescente, ceea ce face posibilă, de exemplu, urmărirea mișcării elementelor genetice mobile.
Țânțarul Anopheles poate fi prima victimă a sistemelor CRISPR
Foto: Jim Gathany / Wikipedia
Curajoasă lume nouă
Oamenii de știință folosesc deja sistemele CRISPR pentru a crea organisme modificate genetic, precum țânțarul malariei, care răspândesc gene dăunătoare printre rudele lor sălbatice. Această metodă se numește unitate genică. Dacă unul dintre părinții unei persoane a fost purtător al unei gene mutante, atunci o va transmite descendenților săi cu o probabilitate de 50%. Acest lucru se datorează faptului că părintele are două copii ale genei și doar una dintre ele este defectă. CRISPR este capabil să copieze un fragment mutant și să îl insereze într-o genă sănătoasă. Ca urmare, descendenții obțin o mutație cu probabilitate de 100%.
În 2016, experți din Comitetul consultativ pentru ADN recombinant (RAC) au aprobat o cerere de la Universitatea din Pennsylvania pentru a efectua teste de modificare genetică umană folosind tehnologia CRISPR / Cas9.
Cu toate acestea, ei au fost depășiți de chinezi. În noiembrie, revista Nature a raportat că oamenii de știință chinezi au introdus pentru prima dată celule cu gene modificate de sistemul CRISPR / Cas9 la oameni. Cercetătorii au extras celule imune (limfocite T) din sângele unui pacient cu cancer pulmonar metastatic și apoi au folosit tehnologia CRISPR pentru a opri gena care codifică proteina PD-1. Acesta din urmă sa dovedit a suprima imunitatea prin promovarea creșterii tumorale. Oamenii de știință au cultivat celulele editate, crescându-le numărul, apoi injectându-le înapoi în corpul uman. Rămâne de văzut dacă terapia genică va face față bolii.
Sistemele CRISPR pot fi utilizate și pentru combaterea HIV și a bolilor ereditare umane. Cu toate acestea, sunt necesare cercetări suplimentare pentru a dezvolta tratamente eficiente. Desigur, nu vorbim despre mutanți, ca în filmele de știință-ficțiune, dar oamenii de știință vor putea crea rapid organisme modificate genetic, cum ar fi plantele agricole cu rezistență la paraziți. Rămâne de văzut de ce oamenii de știință care au descoperit CRISPR și au dat seama cum ar putea fi folosit nu au primit încă Premiul Nobel.
Alexandru Enikeev
