A géntechnológia lehetőséget kínál az emberiség számára a korábban nem létező organizmusok létrehozására és a genetikai betegségek megsemmisítésére. A dolgok azonban nem annyira rózsásak, mivel még az áttörést jelentő CRISPR / Cas9 technológia sem tökéletes. Lehet, hogy az általa elkövetett hibák ritkák, de egy is elegendő ahhoz, hogy végzetes legyen az ember számára. A Lenta.ru arról beszél, hogy mi a baj a CRISPR-szel, és hogyan próbálják a tudósok helyrehozni a helyzetet.
A CRISPR / Cas9 rendszert - egyfajta DNS-ollót - joggal tekintik forradalomnak a géntechnológia területén. Segítségével a tudósok szerkeszthetik az emberi genomot, eltávolítva a káros mutációkat, és így kezelhetik a kellemetlen és halálos örökletes betegségeket. Nem szabad azonban azt gondolni, hogy korábban nem voltak ilyen módszerek. A genetikusok arzenáljában például voltak olyan nukleázok, amelyek cink „ujjakat” és endonukleázokat tartalmaznak - enzimek, amelyek meghatározott helyeken megtörik a DNS-molekulákat. Pontosságát, sokoldalúságát és költségét tekintve érezhetően alulmaradnak a CRISPR / Cas9-nél, bár ez utóbbi korántsem tökéletes.
A CRISPR / Cas9-et eredetileg nem a tudósok, hanem a természet hozta létre. Ez egy molekuláris mechanizmus, amely a baktériumok belsejében létezik, és lehetővé teszi számukra a bakteriofágok és más paraziták elleni küzdelmet. Valójában immunitásként működik a fertőzés ellen. A CRISPR (rövid palindrom ismétlődések jelentése, rendszeresen csoportokba osztva) a DNS speciális régiói (lokuszai). Olyan DNS-vírusok rövid töredékeit tartalmazzák, amelyek egykor megfertőzték a mai baktériumok őseit, de belső védekezésükkel legyőzték őket. Ezeket a darabokat távtartóknak nevezzük, és ismétlődő szekvenciák választják el egymástól.
Amikor egy bakteriofág behatol egy baktériumba, mindegyik ismétlődő szekvenciát és a szomszédos távtartókat templátként használják a crRNS-nek nevezett molekulák szintéziséhez. Sokféle RNS-lánc képződik, ezek kötődnek a Cas9 fehérjéhez, amelynek feladata rendkívül egyszerű: levágni a vírus DNS-ét. Erre azonban csak akkor képes, ha a crRNS megtalálja a vírus DNS komplementer fragmentumát. Miután a Cas9 szétbontja az idegen nukleinsavat, az utóbbit más nukleázok teljesen elpusztítják.
A CRISPR / Cas9 pontosan pontossága miatt jó, mert a baktériumok számára az immunrendszer megfelelő működése élet-halál kérdése. Az "antivírusos" rendszernek egymillió másik között meg kell találnia a vírus DNS szakaszát, és ami a legfontosabb, nem szabad összekeverni azt saját genomjával. Az evolúció milliói alatt a baktériumok tökéletesítették ezt a mechanizmust. Tehát rögtön azután, hogy rájöttek, miért van szükség egy CRISPR rendszerre, rájöttek, hogy ezt példátlanul pontos génszerkesztő eszközként lehet megszelídíteni.
A genom egyik meghatározott régiójának helyettesítéséhez szükség van a RR szintetizálására, amely elvileg hasonló a crRNS-hez. Megmondja a Cas9-nek, hol szükséges kettős szálatörést végrehajtani a módosított szervezet DNS-ében. Azonban nem a gént kell elrontanunk, hanem módosítanunk - például egy vagy több nukleotidot cserélni és eltávolítani a káros mutációt. Itt a természet ismét megment. A természetes javító mechanizmusok azonnal megkezdik a vágott lánc helyreállítását. A trükk az, hogy ehhez néhány RNS-fragmenst eltávolítanak a törés közelében, majd hasonló szekvenciákat helyeznek be oda. A tudósok helyettesíthetik saját DNS-szekvenciájukkal, és így módosíthatják a genomot.
A CRISPR sematikus ábrázolása
Promóciós videó:
Kép: Kaidor / Wikipedia
Semmi sem tökéletes. A viszonylagos pontosság ellenére a CRISPR rendszerek néha hibáznak. Az egyik ok a rendszer természetében rejlik. A baktériumok számára hátrányos, ha a crRNS 100% -ban egybeesik a vírus DNS fragmensével, amely egy vagy két nukleotidonként eltérhet. Jobb neki, ha egyes nukleotidok eltérőek lehetnek, ami nagyobb esélyt ad a mikroorganizmusnak a fertőzés elleni küzdelemre. Ugyanakkor a géntechnológiában az alacsony specificitás hibákkal fenyeget: rossz helyen lehet változtatni. Ha ez az egereken végzett kísérletek során történik, akkor nincs különösebb tragédia, de az emberi genom szerkesztése katasztrófává válhat.
Ez megmagyarázza a nyugati tudósok aggodalmát a Kínában folyó kísérletek miatt. Az ázsiai kutatók a CRISPR technológiát alkalmazták az emberi embriók genetikai módosításához. Az ilyen kísérleteket Európában és az Egyesült Államokban betiltották, de az utóbbi időben az Egyesült Királyság engedélyezte őket - kizárólag kutatási célokra. Az ilyen embriókat a befogadás után néhány héten belül meg kell semmisíteni, ami kizárja a géntechnológiával módosított emberek "tenyésztését".
A CRISPR / Cas9 azonban nem lenne olyan nagyszerű, ha nem lehetne javítani rajta. Tehát a tudósok arra tanították a Cas9-et, hogy ne két láncot vágjon le egyszerre, hanem csak egyet. A vágás a DNS-szekvencia két különböző helyén történik, különböző szálakon, így a rendszernek képesnek kell lennie a normális szint kétszer annyi nukleotid felismerésére, pontosabbá téve azt.
Protein Cas és crRNS
Fotó: Thomas Splettstoesser / Wikipédia
A Nyugati Ontariói Egyetem tudósai egy másik módot találtak ennek a technológiának a fejlesztésére. Megpróbálták megoldani a kivágott DNS helyreállításának problémáját. A nukleinsavlánc gyors helyreállítása oda vezet, hogy a tudósoknak nincs idejük saját korrekciókat végezni a genomban. Így egy ördögi kör jön létre: a nem kívánt módon megjavított láncot újra le kell vágni a Cas9 fehérjével.
Ennek megakadályozása érdekében a kutatók módosították a fehérje ollót, így létrehozták a TevCas9 fehérjét. Két helyen vágja le a DNS-szálat, ami megnehezíti a helyszín helyreállítását. Az új enzim szintetizálásához az I-Tevl enzimet adták a Cas 9-hez, amely szintén endonukleáz, vagyis olyan fehérje, amely hasít egy DNS-molekulát a közepén, ahelyett, hogy lehasítaná a szekvencia végeit, ahogy az exonukleázok teszik. A kapott fúziós fehérje pontosabbnak bizonyult a specifikus helyekhez való kötődésben, és kevésbé valószínű, hogy hibázik és rossz helyet vág le.
A DNS-hez kötött Cas9 kristályszerkezete
Fotó: Cas9 wiki projekt / Wikipédia
Van egy másik módszer a CRISPR rendszerek pontosságának javítására. A baktériumok és vírusok közötti "fegyverkezési verseny" nemcsak a védelmi rendszerek kialakulásához vezetett a mikroorganizmusokban, hanem azok semlegesítéséhez is. Így a bakteriofágok gyorsan mutálódnak, elveszítik azokat a területeket, amelyek alapján a baktériumok immunitása felismeri őket. Egyesek azonban kódolják az anti-CRISPR fehérjéket, ami zavarja a crRNS-Cas9 komplex munkáját.
December 8-án a Cell folyóirat a Toronto Egyetem tudósainak cikkét publikálta, akik létrehozták az "anti-CRISPR" -et - egy olyan rendszert, amely lehetővé teszi a mechanizmus kikapcsolását bizonyos feltételek mellett. Megakadályozza a nem kívánt hibákat azáltal, hogy elnyomja a Cas9 aktivitását abban az esetben, ha a vezető RNS rossz fragmenshez kötődik. Az anti-CRISPR három fehérjéből áll, amelyek gátolják a nukleáz kialakulását, és amelyeket az egyik bakteriális vírus génje kódol.
A CRISPR technológiát már olyan súlyos betegségek kezelésére használják, mint például a leukémia és a tüdőrák, és tesztelik a HIV immunsejtektől való eltávolítását. Amint a tudósok új módszereket találnak a módszer javítására, egyre több lehetőség nyílik alkalmazására.
Alekszandr Enikeev