A tudósok nagy reményeket fűznek a CRISPR / Cas9 technológiához, amely nagy pontosságú változásokat tesz lehetővé az élő szervezetek, köztük az emberek genomjában. Minden új tudományos cikk megjelent, amely a CRISPR rendszerek különféle típusait, valamint azok módosításait ismerteti. A "Lenta.ru" az ezen a területen 2016-ban történt felfedezésekről beszél.
Több ezer közülük
A CRISPR / Cas9 egy bakteriális adaptív immunrendszer, amely lehetővé teszi a mikroorganizmusok számára a vírusok elleni küzdelmet. Távtartókból - DNS szakaszokból áll, amelyek a fertőző ágens DNS bizonyos fragmentumainak (protospacerek) felelnek meg. A távtartók specifikus crRNS molekulákat kódolnak, amelyek kötődnek a Cas9 enzimhez. Az így létrejött komplex a vírus DNS-láncához kapcsolódik, és a Cas9 ollóként működik, elvágva.
Valójában a CRISPR / Cas9 csak egy a sok hasonló rendszer közül, amely a baktériumoknak és az archeáknak van. A tudósok két osztályra osztják őket. Az első osztályba az I., III. És IV. Típusú CRISPR rendszerek tartoznak, a másodikba - a II. És az V. típusba. A II. Típus tartalmazza a Cas9 fehérjét, amely részt vesz új távtartók megszerzésében, a crRNS sejtben történő felhalmozódásában és a DNS hasításában. Más rendszerekben multi-protein komplexeket használnak ezekre a célokra. Ez a II. Típust a CRISPR rendszer legegyszerűbb típusává teszi, amely alkalmas géntechnikai szükségletekre.
A típusok viszont altípusokra bonthatók attól függően, hogy mely további gének társulnak a CRISPR-hez. Például az IIA rendszerek tartalmazzák a csn2 gént, amely egy DNS-hez kötődő fehérjét kódol és részt vesz a távtartók megszerzésében. A IIB rendszerekben a csn2 hiányzik, de van egy cas4 gén, amelynek funkciója még ismeretlen, és az IIC rendszerekben nincs sem csn2, sem cas4.
Kincsek a baktériumok belsejében
Promóciós videó:
Az összes ismert CRISPR rendszert a tudósok felfedezték a laboratóriumi körülmények között termesztett baktériumoknál. Hatalmas számú tenyésztetlen mikroorganizmus van azonban, amelyek mind az archeákat, mind a baktériumokat magukban foglalják. Általában extrém körülmények között élnek - ásványi forrásokban vagy mérgező víztestekben az elhagyott aknákban. A kutatók azonban izolálhatják tőlük a DNS-t, és meghatározhatnak benne meghatározott régiókat. A Nature-ben december 22-én megjelent új cikkben a Berkeley, a Kaliforniai Egyetem genetikusai dekódolták a természetes mikrobaközösségek genomjait, felfedezve a CRISPR rendszer más variációit.
Bakteriofág - vírus, amely megfertőzi a baktériumokat
Kép: Giovanni Cancemi / Depositphotos
A tudósoknak sikerült kideríteniük, hogy az ARMAN kevéssé tanulmányozott arche-szerű nanorganizmusok bizonyos típusai szintén rendelkeznek CRISPR / Cas9-vel, bár korábban azt hitték, hogy csak a baktériumok rendelkeznek ilyenekkel. Meg kell jegyezni, hogy ez a rendszer köztes helyet foglal el a IIC és IIB altípusok között, és védelemként szolgálhat a parazita "ugró" gének (transzpozonok) ellen, amelyek más archeákból kerülnek be a mikroorganizmusba. Az archeális CRISPR / Cas9 aktivitásának reprodukciójára tett kísérlet E. coliban (Escherichia coli) nem vezetett semmihez, ami azt jelzi, hogy létezik néhány további, a rendszert szabályozó specifikus mechanizmus.
A második osztályba tartozó új típusú rendszereket, a CRISPR / CasX és a CRISPR / CasY azonosították a talajvízben és az üledékekben élő baktériumokból is. A CRISPR / CasX rendszer magában foglalja a Cas1, Cas2, Cas4 és CasX fehérjéket. Ez utóbbi, amint azt az E. coli-on végzett kísérletek mutatják, nukleázaktivitással különböztethető meg, vagyis képes hasítani az idegen DNS-t, mint a Cas9. Ez azonban csak akkor történik, ha a TTCN szekvencia a protospacerek előtt van, ahol N a négy nukleotid bármelyike. Az ilyen szekvenciákat PAM-nak (protospacer szomszédos motívum - a protospacerrel szomszédos motívum) nevezzük. A CRISPR / Cas9 rendszernek saját PAM-NGG-je is van, amelynek a protospacer után kell lennie. Ezenkívül a CRISPR / CasY képes vágni a DNS-t, ha TA PAM szekvencia van a célhely közelében.
Mi az ígérete ennek a felfedezésnek? Az a tény, hogy az észlelt rendszerek a legkompaktabbak, amelyek jelenleg ismertek. A tudósok szerint a munkájukhoz szükséges kis mennyiségű fehérje a CRISPR / CasX és a CRISPR / CasY kényelmessé teszi a DNS-szerkesztést. Sőt, a metagenomikai vizsgálatok, amelyek során a környezetből nyert DNS-t tanulmányozzák, más típusú CRISPR rendszereket tárnak fel, amelyek hasznosak a géntechnológiában.
A kiválósághoz vezető út
Természetesen van alternatíva a CRISPR rendszerek keresésére a természetben - a már meglévő CRISPR / Cas9 technológia fejlesztése. Nagy pontossága ellenére hibákat követ el azzal, hogy rossz helyre vágja a DNS-t. Ez megnehezíti a gének helyes megváltoztatását, ezért hatékonyan kezeli az örökletes betegségeket. Ezért a tudósok a rendszer teljesítményének javítását keresik. 2016-ban számos tudományos cikket szenteltek a CRISPR módosításának és különféle géneszközökké alakításának.
A Cas9 fehérje és a crRNS - a CRISPR rendszer fő elemei
Kép: Steve Dixon / Feng Zhang / MIT
Tehát december 8-án a Cell folyóirat a Toronto Egyetem tudósainak cikkét publikálta, akik létrehozták az "anti-CRISPR" -et - egy rendszert, amely bizonyos feltételek mellett kikapcsolja a mechanizmust. Ez lehetővé teszi a Cas9 aktivitás elnyomását, ha a vezető RNS rossz fragmenshez kötődik és megakadályozza a hibákat. Az anti-CRISPR három nukleázgátló fehérjéből áll. Természetesen kezdetben nem tudósok találták ki, hanem vírusok, amelyek így semlegesítették a baktériumok immunitását.
Júniusban amerikai kutatók az orosz kollégákkal együtt megerősítették, hogy a fusobacterium Leptotrichia shahii-ból nyert CRISPR / C2c2 rendszer képes hasítani az egyszálú RNS-t. Ennek eredményeként a CRISPR rendszert fel lehet használni a messenger RNS kiiktatására - a funkciók elnyomására -, amely információt továbbít a génekből a riboszómákba, ahol a fehérjék szintetizálódnak az alapján.
Májusban a Kaliforniai Egyetem kutatói létrehozták a CRISPR-EZ technológiát, amely lehetővé teszi az új DNS-molekulák majdnem 100% -os sikerrel az egér embriók genomjába történő beillesztését. A CRISPR / Cas9 rendszert a megtermékenyített állati petesejtekbe fecskendezik mikroszkópos tűvel és apró elektromos kisüléssel. Kísérletükben a tudósoknak sikerült mutációt bevezetniük egy génben az egerek 88 százalékában. Ez meghaladja a hagyományos injekciókat alkalmazó CRISPR szerkesztéssel előállított genetikailag módosított egerek számát.
Áprilisban a Cas9 mutáns variánsának felhasználásával, amely nem rendelkezik nukleázaktivitással, a Massachusettsi Egyetem Orvostudományi Karának molekuláris biológusai kifejlesztették a CRISPRainbow technológiát. Az irányadó RNS, amely jelzi, hogy az enzimek hol kötődnek, fluoreszcens jeleket tartalmazott, ami lehetővé teszi például a mobil genetikai elemek mozgásának nyomon követését.
Anopheles szúnyog lehet a CRISPR rendszerek első áldozata
Fotó: Jim Gathany / Wikipédia
Szép új világ
A tudósok már használják a CRISPR rendszereket olyan géntechnológiával módosított szervezetek létrehozására, mint például a malária szúnyog, amelyek káros géneket terjesztenek vad rokonaik között. Ezt a módszert génmeghajtásnak hívják. Ha egy személy egyik szülője mutáns gén hordozója volt, akkor azt 50 százalékos valószínűséggel továbbadja utódainak. Ennek oka, hogy a szülőnek két példánya van a génből, és csak az egyik hibás. A CRISPR képes egy mutáns fragmenst lemásolni és egy egészséges génbe beilleszteni. Ennek eredményeként az utódok 100% -os valószínűséggel kapják meg a mutációt.
2016-ban a Rekombináns DNS Tanácsadó Bizottság (RAC) szakértői jóváhagyták a Pennsylvaniai Egyetem kérelmét az emberi genetikai módosítások vizsgálatának elvégzésére CRISPR / Cas9 technológia segítségével.
A kínaiak azonban utolérték őket. Novemberben a Nature folyóirat arról számolt be, hogy a kínai tudósok először vitték be az emberbe a CRISPR / Cas9 rendszer által módosított génekkel rendelkező sejteket. A kutatók immunsejteket (T-limfocitákat) vontak ki egy áttétes tüdőrákos beteg véréből, majd CRISPR technológiával kikapcsolták a PD-1 fehérjét kódoló gént. Ez utóbbi bizonyítottan elnyomja az immunitást a tumor növekedésének elősegítésével. A tudósok tenyésztették a szerkesztett sejteket, növelve azok számát, majd visszafecskendezve az emberi testbe. Hogy a génterápia megbirkózik-e a betegséggel, azt még várni kell.
A CRISPR rendszerek a HIV és az emberi örökletes betegségek leküzdésére is használhatók. A hatékony kezelések kifejlesztéséhez azonban további kutatásokra van szükség. Természetesen nem mutánsokról beszélünk, mint a tudományos-fantasztikus filmekben, de a tudósok képesek lesznek gyorsan létrehozni géntechnológiával módosított szervezeteket, például parazitákkal szemben ellenálló mezőgazdasági növényeket. Meg kell nézni, miért nem nyerték el még a Nobel-díjat azok a tudósok, akik felfedezték a CRISPR-t és kitalálták, hogyan lehetne használni.
Alekszandr Enikeev