Это может звучать как бренд зерновых, но CRISPR может стать одной из самых значительных революций в генетике за всю нашу жизнь. В последние месяцы появились истории об исследователях, использующих белки CRISPR-Cas для эффективного редактирования генетических последовательностей ДНК, уничтожения ВИЧ, поедания вируса Зика, как Pac-man, и хранить GIF в ДНК бактерий .
Тем не менее, несмотря на потенциал CRISPR, это невероятно спорная процедура. Это требует, чтобы нити ДНК были разрезаны и полностью изменены, чтобы изменить генетический состав человека, и два новых исследования связали такую технологию редактирования генов с ростом заболеваемости раком.
Газеты, одна за другой Новартис а другой Каролинский институт , опубликовано вПрирода Медицина, пришли к выводу, что методы генной терапии могут ослабить способность человека бороться с опухолями и могут вызвать рак, что вызывает опасения по поводу безопасности генной терапии на основе CRISPR.
Но давайте вернемся немного назад.
Смотрите также Что такое стволовые клетки и как они могут изменить медицину? Пересадка головы человека: Спорная процедура успешно проведена на трупе; живая процедура неизбежна
В двух статьях основное внимание уделялось гену p53. Предыдущие исследования показали, что некоторые опухоли человека не могут развиваться, если ген p53 работает должным образом. В результате p53 действует как естественный защитный механизм для защиты генома от изменений, производимых CRISPR-Cas9. Когда CRISPR-Cas9 используется для редактирования генетической структуры человека, ген p53 перескакивает на его защиту и эффективно убивает отредактированные клетки, заставляя их самоуничтожиться. Фактически, именно этот ген задержал прогресс и эффективность метода CRISPR в ряде испытаний.
Однако в тех случаях, когда CRISPR-Cas9 успешно внес изменения в геном человека, это свидетельствует о том, что ген p53 конкретной клетки неисправен или не работает. Это, в свою очередь, может быть связано с тем, что организм менее способен бороться с раком. В частности, неисправный p53 может вызватьклетки бесконтрольно расти и становиться злокачественными, и это было связано с примерамирак яичников, толстой и прямой кишки.
«Выбирая клетки, которые успешно восстановили поврежденный ген, который мы намеревались исправить, мы можем непреднамеренно выбрать и клетки без функционального p53», - говорит автор исследования Эмма Хаапаниеми из Каролинского института. объяснил . В случае трансплантации пациенту, как при генной терапии наследственных заболеваний, такие клетки могут вызвать рак, что вызывает опасения по поводу безопасности генной терапии на основе CRISPR.
Однако следует отметить, что наличие связи с раком - это не то же самое, что его вызывающее заболевание, и результаты этих двух исследований являются так называемыми предварительными, что означает, что необходима дальнейшая работа, чтобы либо укрепить, либо опровергнуть результаты. Исследователи даже не спешат заявлять, что CRISPR опасен. Вместо этого они поднимают актуальные вопросы и советуют компаниям и ученым, стремящимся провести клинические испытания, помнить о связи.
Исследования также сосредоточены на очень конкретном типе техники редактирования CRISPR - белке Cas-9, используемом для исправления пораженной ДНК путем вставки здоровой отредактированной ДНК - и необходимы дальнейшие исследования, чтобы увидеть, вызывают ли другие формы редактирования генов аналогичные проблемы. В самом деле, в попытке справиться с подобной предыдущей критикой исследователи из Института Солка недавно сообщили об обходном пути. Вместо того, чтобы редактировать гены, их так называемый эпигенетический (или над геном) метод CRISPR будет включать или выключать гены, а не вырезать их.
Изменяя эпигеном, ученые смогли контролировать поведение гена, не изменяя напрямую какую-либо ДНК; модификация генов, а не редактирование генов. В испытаниях на мышах ученые обратили вспять симптомы заболевания почек, диабета 1 типа и одной из форм мышечной дистрофии. У него также есть потенциал для искоренения болезни Альцгеймера.
Что такое CRISPR-Cas9?
CRISPR-Cas9 - это инструмент для редактирования генома, который может целенаправленно разрезать ДНК, позволяя ученым точно редактировать строительные блоки жизни. Вы, вероятно, увидите, что он упоминается вместе с немного менее известным дуэтом CRISPR-Cas1 и CRISPR-Cas2 - оба из которых сращивают фрагменты ДНК в собственный геном бактерии (подробнее об этом позже).
На самом деле Cas9 был впервые обнаружен в 1980-х годах как часть защитных механизмов одноклеточных бактерий, которые обеспечивают способность клеток устранять нежелательных вторжений. Ученые обнаружили, что, адаптируя технологию, они могут воздействовать на последовательности генома с беспрецедентной скоростью, точностью и точностью.
Представьте CRISPR-Cas9 как поиск и замену в компьютерном документе, только вместо слов вы редактируете генетические последовательности.Точная модификация ДНК - это святой Грааль науки, и потенциал огромен. Его можно использовать для искоренения болезней - даже наследственные, такие как муковисцидоз, серповидно-клеточная анемия и болезнь Хантингтона, могут уйти в прошлое.
Название CRISPR - это аббревиатура от менее запоминающихся, систематически расположенных в промежутках коротких палиндромных повторов. Часть Cas относится к ассоциированному CRISPR.
CRISPR-Cas9: Как это работает?
CRISPR является частью естественной защиты некоторых бактерий. Когда бактерия обнаруживает вторгающийся вирус, она может копировать и смешивать сегменты чужеродной ДНК в своем собственном геноме вокруг CRISPR. Cas9 выполняет разрезание, а Cas1 и Cas2 вставляют внешнюю ДНК в геном клетки.
удалить дубликаты фотографий в Google Фото
В следующий раз, когда вирус будет обнаружен, у CRISPR будет точная копия последовательности генома, на которую нужно обратить внимание, и именно здесь появляется белок Cas: он может разрезать ДНК и отключать нежелательные гены с невероятной точностью.
Или же, как объясняет Карл Циммер : По мере того как область CRISPR заполняется вирусной ДНК, она становится наиболее востребованной молекулярной галереей, представляющей врагов, с которыми столкнулся микроб. Затем микроб может использовать эту вирусную ДНК для превращения ферментов Cas в высокоточное оружие. Микроб копирует генетический материал в каждом спейсере в молекулу РНК. Ферменты Cas затем захватывают одну из молекул РНК и удерживают ее. Вместе вирусная РНК и ферменты Cas перемещаются по клетке. Если они сталкиваются с генетическим материалом вируса, который соответствует РНК CRISPR, РНК надежно фиксируется. Затем ферменты Cas расщепляют ДНК на две части, предотвращая репликацию вируса.
В 2012 году ученые из Калифорнийского университета в Беркли опубликовали новаторская бумага показывая, что они смогли перепрограммировать иммунную систему CRISPR-Cas для редактирования генов по желанию. CRISPR-Cas9 использует специфический белок Cas и гибридную РНК, которая может идентифицировать и редактировать любую последовательность гена. Возможности огромны.
Короче говоря, CRISPR составляет список целевых последовательностей ДНК, а затем Cas9 выполняет разрезание. Ученым просто нужно запрограммировать CRISPR с помощью правильного кода, а Cas9 сделает все остальное.
Это также может относиться к дефектным генам - участки, вызывающие в настоящее время проблемы, могут быть удалены с помощью CRISPR-Cas9, а затем заменены здоровым генетическим кодом, что теоретически решит проблему.
CRISPR-Cas9: Использовался ли он на людях?
Да, в китае . Используя человеческие эмбрионы, полученные из клиники репродуктивной медицины, ученые попытались использовать CRISPR-Cas9 для редактирования гена, вызывающего бета-талассемию в каждой клетке. Следует отметить, что использованные донорские эмбрионы были нежизнеспособными и не могли привести к живорождению.
В любом случае, это не удалось, причем довольно сильно: было введено 86 эмбрионов, и через 48 часов, когда выросло около восьми клеток, 71 выжил, а 54 из них были генетически протестированы. Только 28 из них были успешно склеены, и очень немногие из них содержали генетический материал, задуманный исследователями.Если вы хотите сделать это на нормальных эмбрионах, вам нужно быть близким к 100%, - ведущий исследователь. Jungiu Huang сказалПрирода . Вот почему мы остановились. Мы все еще думаем, что он слишком незрелый.
Вдобавок ко всему, весьма вероятно, что был нанесен еще больший недокументированный ущерб. Как Газета 'Нью-Йорк Таймс объясняет :Китайские исследователи отмечают, что в их эксперименте редактирование генов почти наверняка нанесло более серьезный ущерб, чем они задокументировали; они не исследовали полные геномы эмбриональных клеток.
Как вы понимаете, это вызвало огромное количество споров в научном сообществе.
В ноябре 2016 г. , другая группа китайских ученых стала первой, кто применил CRISPR-Cas9 на взрослом человеке, введя больному раком легких иммунные клетки пациента, модифицированные с помощью CRISPR, чтобы отключить белок PD-1, теоретически заставив организм пациента бороться с раком. .
Затем в изучение опубликованный 3 августа, ученые успешно «отредактировали» человеческие эмбрионы, удалив дефектный сегмент ДНК, который может привести к наследственному заболеванию сердца. Это было знаменательное достижение, которое дало возможность потенциально предотвратить около 10000 генетических нарушений с одной мутацией (то есть заболеваний, вызванных одним дефектным геном) у людей будущего.
CRISPR-Cas9 и этика
Несмотря на то, что китайские ученые использовали эмбрионы, которые не собирались развиваться в жизнь, существуют настоящие этические опасения по поводу экспериментов на человеческих эмбрионах - действительно, всего за месяц до публикации китайского исследования. группа американских ученых призвала мир не делать этого .
Частично это связано с тем, насколько незрелой является технология - помните, что она активно используется только с 2012 года, и было бы удивительно, если бы она к этому моменту была полностью сформирована. Ученые предупредили, что это было слишком неправильно понято и опасно для использования на людях на данный момент, и китайские исследования, безусловно, подтверждают эту озабоченность. Даже если бы это сработало безупречно, есть опасения, что непредвиденные последствия могут возникнуть на протяжении нескольких поколений.
Но даже если бы он был на 100% безопасным и успешным, есть и другие этические проблемы: хотя никто не возражает, что мы должны сдерживать потенциал уничтожения генетических заболеваний-убийц, таких как болезнь Хантингтона и муковисцидоз, CRISPR-Cas9 потенциально предлагает возможность изменить что-нибудь о человеке. Если генетическая последовательность идентифицирована, теоретически ее можно редактировать.
Одно дело - избавиться от болезней, влияющих на жизнь, еще до рождения, и совсем другое - сделать своих детей более сильными, быстрыми и красивыми - это совсем другое. Даже если вы согласитесь с тем, что людям должно быть позволено делать это, скорее всего, это будет сильно коммерциализировано, гарантируя, что только богатые смогут позволить себе все дополнительные жизненные преимущества, которые они могут себе позволить, что в значительной степени повлияет на неравенство.
CRISPR-Cas9: Что было сделано на данный момент?
Конечно, эти этические вопросы находятся за миллион миль, когда единственный зарегистрированный эксперимент на эмбриональном человеке вызвал столь заметную неудачу. Однако CRISPR-Cas9 теперь показывает очень многообещающие результаты в небольших тестах.
Примеры включают Профилактика ВИЧ-инфекции в клетках человека , лечение генетических болезней мышей а также пара обезьян, рожденных с целевыми мутациями .
CRISPR также становится эффективным средством хранения данных в ДНК. В марте 2017 года пара исследователей из Нью-Йоркского центра генома опубликовала отчет в Наука журнал, подробно описывающий методы хранения сжатых файлов в молекулах ДНК. С помощью алгоритма перевода файлов в двоичный код, который может быть отображен на нуклеотидные основы ДНК, исследователи смогли закодировать в общей сложности шесть файлов: академический доклад 1948 года, табличку Pioneer, операционную систему, вирус, фильм 1895 годаПрибытие поезда на станцию Ла Сиота.… И подарочная карта Amazon на 50 долларов.
Несколько месяцев спустя группа ученых из Гарвардской медицинской школы закодировал зацикленный видеоклип в ДНК живой клетки бактерии кишечной палочки . Цель состоит в том, чтобы разработать систему для созданиямолекулярные записывающие устройства - ДНК, способные записывать собственную информацию из окружающей среды. Это можно использовать во всем: от мониторинга загрязнения почвы до революционного изменения нашего понимания неврологической активности.
В рамках программы DARPA Safe Genes семь команд включаюткоманда под руководством доктора Амита Чоудхари из Гарвардской медицинской школы, которая разрабатывает способы борьбы с малярийными комарами, вторая команда Гарвардской медицинской школы, стремящаяся использовать CRISPR для обнаружения и обращения вспять мутаций, вызванных радиацией. Команда Университета штата Северная Каролина во главе с доктором Джоном Годвином нацелена на нацеливание на системы генного привода у крыс для борьбы с инвазивными видами, а Калифорнийский университет в Беркли хочет использовать CRISPR для нацеливания на вирусы Зика и Эбола. Полный список проектов и информация о командах доступны на сайте DARPA.
Совсем недавно структурный биолог Осаму Нуреки из Токийского университета поделился невероятными кадрами редактирования ДНК с помощью CRISPR в реальном времени, которые стали частью недавней статьи его команды, опубликованной в журнале. Nature Communications . В клипе ниже показано, как CRISPR выполняет поиск в ДНК перед внесением изменений. Вы можете видеть, как цепь ДНК отключается.
Запись изначально была показана участникам CRISPR 2017 конференция, которая прошла в июне. Статья была представлена после этой конференции и опубликована 10 ноября.
CRISPR-Cas9: Будет ли он в Великобритании?
Да. Исследователи стволовых клеток в Великобритании попросил разрешения модифицировать человеческие эмбрионы в попытке понять раннее развитие человека и снизить вероятность выкидыша. В феврале 2016 г.Управление по оплодотворению человека и эмбриологии (HFEA) предоставило разрешение.
CRISPR-Cas9: Почему CRISPR плохой?
Как упоминалось ранее, Cas9 может распознавать только генетические последовательности длиной около 20 оснований, что означает, что более длинные последовательности не могут быть нацелены.Что еще более важно, фермент иногда режет не в том месте. Разобраться, почему это так, будет значительным прорывом - исправить это будет еще больше.
Затем, конечно, есть проблема, что CRISPR не очень хорошо работал с человеческими эмбрионами, и его недавние связи с раком.
CRISPR-Cas9: Кому это принадлежит?
Ответить на этот вопрос непросто. Он является предметом непрекращающейся патентной битвы - что удивительно, учитывая, что CRISPR естественным образом встречается в определенных бактериях.
Обзор технологийобъясняет что, хотя CRISPR-Cas9 впервые был описан вНаукаВ 2012 году Дженнифер Доудна из Калифорнийского университета в Беркли, Фэн Чжан из Института Броуда выиграл патент на эту технику, предоставив лабораторные записи, подтверждающие, что он ее первым изобрел.
Первоначальная подача патентных прав означает, что это должно быть предоставлено Дудне, но решение могло быть принято на основе того, чтобы сначала изобрести правила, которые были бы в пользу Чжана. В конце концов, дело было рассмотрено в феврале 2017 г. , когда Совет по патентным исследованиям и апелляциям постановил, что Калифорнийскому университету в Беркли будет выдан патент на использование CRISPR-Cas9 в любой живой клетке, а Броуд получит его в любой эукариотической клетке, то есть клетках растений и животных.
Изображений: Петра Б. Фриц , VeeDunn , Галерея изображений NIH , а также Стив Юрветсон используется под лицензией Creative Commons
