Исследователи произвели революцию в редактировании генома

О технологии CRISPR-Cas так или иначе слышали многие. Этот биотехнологический метод предлагает относительно быстрый и простой способ манипулирования отдельными генами в клетках (их можно удалять, заменять или видоизменять). Кроме того, в последние годы специалисты научились использовать технологии, основанные на CRISPR-Cas, для увеличения или уменьшения активности отдельных генов.

Ещё несколько лет назад методика стала мировым стандартом как в фундаментальных биологических исследованиях, так и в прикладных областях, например, селекции растений.

Обрисуем вкратце основные принципы данного подхода. Для осуществления необходимых манипуляций с генами используется фермент Cas и молекула РНК. Именно она с максимальной точностью "направляет" фермент к участку-мишени в ДНК. Оказавшись в нужном месте, Cas разрезает цепочку ДНК (поэтому технологию иногда именуют "молекулярными ножницами"). Но самое важное — это следующий этап, а именно "починка" образовавшейся бреши.

Именно в процессе восстановления ДНК специалисты могут сопоставить концы в месте разрыва так, чтобы "выключить" интересующий их ген. А если полностью заменить удалённый ферментом Cas участок ДНК на новый (то есть не просто соединить концы молекулы, а поставить "заплатку"), то можно избежать нежелательных мутаций. Отметим, что пока что процент таких "ошибок" всё ещё достаточно велик, даже несмотря на все улучшения.

По этой причине технология CRISPR-Cas всё ещё имеет серьёзные ограничения. Кроме того, разработанные ранее подходы позволяли исследователям модифицировать в основном лишь один ген за раз. Иногда специалистам удавалось "обработать" сразу несколько генов, но пока абсолютный рекорд составлял скромные семь генов "за один заход".

Похоже, этот этап развития CRISPR-Cas отныне станет историей. Команда учёных из Швейцарской высшей технической школы (ETH) в своих экспериментах продемонстрировала возможность одномоментно модифицировать 25 участков-мишеней в генах клетки. Если учесть, что, по заверениям специалистов, это число может быть увеличено до нескольких десятков и даже сотен генов, предложенная технология действительно кажется революционной.

В любом случае новый метод имеет огромный потенциал для биомедицинских исследований и развития биотехнологий. Швейцарские специалисты уверены, что благодаря созданному ими новому инструменту учёные смогут достичь того, о чём в прошлом можно было только мечтать.

Чтобы понять суть новой разработки, важно помнить, что гены и белки клетки очень активно взаимодействуют между собой. Для решения того или иного вопроса (выполнения той или иной функции) образуются своеобразные "сети", включающие в себя десятки генов. Именно это обеспечивает клеточное разнообразие организма (имея одну общую "инструкцию" в виде молекулы ДНК, клетки делятся, например, на клетки кожи и крови, мышц и мозга).

"Наш метод впервые даёт возможность систематически изменять целые генные сети за один шаг", – объясняет руководитель эксперимента профессор Ренделл Платт (Randall Platt).

Для того, чтобы осуществить такое множественное воздействие, учёные ETH сконструировали плазмиду. Это небольшая кольцевая молекула ДНК, которая хранит и схему фермента Cas, и многочисленные молекулы РНК с "адресами" будущих мест исправлений в хромосомах.

В ходе экспериментов исследователи поместили плазмиду в клетки человека и продемонстрировали, что благодаря ей можно модифицировать и регулировать работу множества генов одновременно.

Возможности, открытые швейцарскими экспериментаторами, представляют большой интерес для фундаментальных исследований. Благодаря новому инструменту учёные смогут узнать, например, почему различные типы клеток ведут себя по-разному. Кроме того, усовершенствованная технология поможет и в исследовании сложных генетических нарушений и будет полезна в так называемой заместительной клеточной терапии, которая основывается на замене поврежденных клеток здоровыми.

Более того, новый метод прокладывает путь для сложного, масштабного программирования клетки. Важно, что разработка позволяет повысить активность одних генов, одновременно снизив интенсивность работы других. Кстати, время "включения" этого изменения в работе генов теперь можно точно запрограммировать и проконтролировать.

Исследователи также смогут использовать улучшенный CRISPR-Cas подход для преобразования стволовых клеток в специализированные, например, клетки головного мозга или бета-клетки поджелудочной железы, производящие инсулин.

Результаты революционной экспериментальной работы группы Платта опубликованы в научном издании Nature Methods.