Каждая клетка тела человека содержит около 3 миллиардов пар оснований кода ДНК. Всего несколько мелких ошибок в этом коде могут наградить кого-то изнурительным заболеванием. Молекулярный биолог Эрик Олсен описал это как ошибку в написании одного слова в стопке из тысячи библий, и из-за этой крошечной опечатки ребенок может оказаться в инвалидном кресле на всю жизнь.
Исследователи уже определили ошибки в ДНК как причину почти 7000 заболеваний. К счастью, растущий мир редактирования генома может стать «средством проверки орфографии», необходимым для обнаружения и, в конечном итоге, устранения этих проблем.
Редактирование генома часто отождествляется с системой точного редактирования ДНК - CRISPR и сновным компонентом системы CRISPR ферментом белка Cas9. Однако мир редактирования генома гораздо более разнообразен и сложен и выходит далеко за рамки CRISPR, который является лишь последним в длинной линейке «инструментов» редактирования. Геномная инженерия - это тип генной инженерии, при котором ДНК вставляется, удаляется, модифицируется или заменяется в геноме живого организма.
Это невероятно мощный инструмент с огромным потенциалом в области медицины. В простейшей форме это способ внести определенные изменения в ДНК организма. Это похоже на редактирование кода в компьютерной программе.
Есть причина, по которой вокруг редактирования генов много шумихи. Оно потенциально может быть использовано для лечения основных дегенеративных заболеваний и исправления простых генетических состояний, таких как мышечная дистрофия. Возможно, скоро оно будет применено для выращивания новых человеческих органов у свиней, борьбы с постоянным спросом на трансплантации органов и потенциально перевернуть человеческое воспроизводство с ног на голову.
Генная инженерия в реальном мире ставит некоторые очень интересные этические вопросы. Сегодня мы собираемся взглянуть на историю редактирования генома, новые методы, такие как CRISPR, а также альтернативные варианты, а также рассмотрим некоторые этические вопросы, которые в настоящее время беспокоят этот медицинский инструмент.
Что такое редактирование генома?
Редактирование генома или редактирование генов - это относительно новый метод, который позволяет ученым изменять ДНК бактерий в ДНК животных. Эти «правки» потенциально могут привести к изменениям физических характеристик, таких как цвет глаз, или, что более важно, к излечению от определенных болезней. Редактирование генома уже использовалось в сельском хозяйстве для модификации сельскохозяйственных культур с целью повышения их урожайности и повышения их устойчивости к болезням и засухе.
Таблица сконструированных нуклеаз. Соответствующие цвета обозначают образцы распознавания ДНК. Источник: Фарзад Джамшиди / Викимедиа
Для редактирования ДНК используется множество различных методов и технологий. Тем не менее, большинство этих технологий обычно действуют как функции «вырезания» и «вставки» на вашем компьютере, позволяя ученым изменять ДНК в определенном месте генома организмов. Хотя большая часть ажиотажа вокруг редактирования генов сосредоточена вокруг его способности создавать людей, основное применение редактирования генома до сих пор находилось на растениях и некоторых животных в лабораторных условиях.
.gif)
Можно ли исправить молекулярные ошибки?
Как только в 1940-х годах было осознано, что ДНК отвечает за наследственность, и в 1950-х годах была выяснена структура молекулы ДНК, исследователи поняли, что ошибки в этом генетическом коде ответственны за многие болезни и наследственные состояния.
Последовавший за этим вопрос был очевиден. Можно ли исправить эти ошибки? Этот вопрос привел к появлению генной инженерии в 1970-х годах, когда новый генетический код был введен в ДНК организмов. Однако изначально эта технология не позволяла целенаправленно вводить новый материал.
Гомологичная рекомбинация
Одним из первых примеров нацеливания генов на определенные участки в геноме организма была гомологичная рекомбинация. Этот метод включает в себя создание своего рода шаблона, который соответствует целевой последовательности генома, и полагается на нормальные клеточные процессы для вставки этого шаблона в правильное место. Метод был успешно использован для введения генетических модификаций мышам с использованием эмбриональных стволовых клеток.
Условный таргетинг
Другой ранний метод использовал условное нацеливание с использованием ферментов, называемых сайт-специфическими рекомбиназами (SSR). Он позволил выключить или включить гены только в определенных клетках и в конечном итоге помог исследователям вызвать рекомбинацию при определенных условиях, выключая гены или экспрессируя их в определенное время или на определенных этапах развития.
Процесс генной инженерии
Ключом к редактированию генома является создание двухцепочечного разрыва (DSB) в геноме в определенной точке и удаление ошибочной части генетического кода. Затем ферменты используются для восстановления разрыва, соединения концов ДНК или для вставки недостающих правильных последовательностей в правильное место. Однако, хотя некоторые ферменты эффективны при разрезании ДНК, они, как правило, разрезают несколько участков - потенциально удаляя ДНК, которую исследователи не хотят удалять. Чтобы преодолеть эту проблему, было создано несколько типов нуклеаз (ферментов). Они называются нуклеазами «цинковые пальцы» (ZFN), эффекторными нуклеазами, подобными активаторам транскрипции (TALEN), мегануклеазами и регулярно сгруппированными короткими палиндромными повторами (CRISPR/Cas9).
Мегануклеазы
Мегануклеазы были открыты в конце 1980-х, они могут распознавать и разрезать последовательности ДНК от 14 до 40 пар оснований. Однако может быть сложно создать нуклеазы, которые разрезают ДНК именно в нужном месте. Недавно была создана своего рода библиотека, которая позволила ученым более легко создавать мегануклеазы, которые будут разрезать в определенных местах. Например, в настоящее время существуют мегануклеазы, способные удалять мутации гена XPC человека, вызывающие Xeroderma pigmentosum , заболевание, которое предрасполагает пациентов к раку кожи и ожогам при воздействии ультрафиолетового света.
Нуклеазы «цинковые пальцы»
В 1990-х годах ученые использовали «цинко-пальчатые нуклеазы» (zinc-fingered nucleases) для улучшения существующих методов редактирования генов. Эти синтетические белки используются для нацеливания на гены и состоят из ДНК-разрезающих эндонуклеазных доменов, слитых с доменами цинковых пальцев, сконструированных для связывания определенной последовательности ДНК. Их можно использовать для добавления или удаления участков разреза в геномах клеток. Хотя этот метод был значительно улучшен, вероятность успеха по-прежнему составляет всего около 10 процентов. Более того, разработка этого метода редактирования генов требует больших затрат и времени.
Эффекторные нуклеазы, подобные активатору транскрипции (TALEN)
Эффекторные нуклеазы, подобные активатору транскрипции (TALEN), имеют некоторое сходство с нуклеазами «цинковый палец». Разработанные в 2009 году, TALEN созданы из белков, встречающихся в природе, и способны связываться со специфическими последовательностями ДНК. И хотя их эффективность и действенность параллельны ZFN, их гораздо проще спроектировать.
Кластерные короткие палиндромные повторы с регулярными промежутками (CRISPR)
Хотя ZFN и TALEN действительно предлагают эффективное редактирование генома, одним из недостатков является то, что их разработка требует много времени и средств. И процесс создания белков подвержен ошибкам. CRISPR является настолько революционным в области редактирования генов, потому что предлагает ученым более быстрый и простой способ редактирования генома, «требующий небольшой сборки». CRISPR / Cas9 уже был в поле зрения исследователей в 1990-х годах, но его потенциал был реализован только в последние годы.
CRISPR / Cas9 - это новая мощная технология редактирования генов, разработанная отдельно примерно в 2012 году учеными Фэн Чжан, Дженнифер Дудна и Эммануэль Шарпантье.
.gif)
CRISPR может распознавать определенные последовательности генома и вырезать их, часто используя белок Cas9
Технология CRISPR основана на защитном механизме, который бактерии используют для борьбы с вирусами. Вирусы атакуют клетки, используя собственный механизм клеток для создания своих копий. В конце концов, клетки лопаются, и копии вируса попадают в организм, заражая новые клетки. Однако у бактерий появился способ сопротивляться, разрезая ДНК вируса. Если бактерии переживают вирусную атаку, они копируют части ДНК этого вируса и включают их в свои собственные геномы. Эти копии используются как фотографии, чтобы бактерии могли идентифицировать вредоносные вирусы.
Чтобы отслеживать эту коллекцию «снимков» и держать их отдельно от собственной ДНК бактерий, повторяющиеся последовательности молекул размещаются вокруг каждой последовательности, взятой из вируса. Когда бактерия сталкивается с вирусом с последовательностью в его коллекции, бактерии посылают фермент, чтобы разрезать и уничтожить все, что соответствует генетическому снимку. CRISPR позволяет ученым использовать аналогичный подход, часто используя белок Cas9 для вырезания и замены определенных последовательностей генов.
Технология CRISPR позволяет ученым быстро и эффективно изменять практически любой ген любого растения или животного с небольшими затратами. Исследователи уже использовали эту технику для коррекции генетических заболеваний у животных, выращивания сельскохозяйственных культур, более устойчивых к определенному климату, изменения органов свиньи для облегчения трансплантации человеку, стерилизации комаров для предотвращения болезней и увеличения мышечной массы гончих.
Ученые также могут использовать CRISPR для создания коротких шаблонов РНК, которые соответствуют целевой последовательности в геноме, что делает процесс редактирования намного проще, эффективнее, дешевле и быстрее. CRISPR в настоящее время используется для разработки методов лечения ВИЧ, мышечной дистрофии Дюшенна, некоторых типов слепоты и болезни Лайма, и это лишь некоторые из них.
«CRISPR - невероятно мощный инструмент. Он уже произвел революцию в повседневной жизни большинства лабораторий. Я очень надеюсь, что в течение следующего десятилетия редактирование генов превратится из основного исследовательского инструмента в нечто, что позволит использовать новые методы лечения. - сказал Невилл Санджана из Нью-Йоркского центра генома и доцент кафедры биологии, нейробиологии и физиологии Нью-Йоркского университета.
Редактирование генов может быть использовано для решения широкого круга проблем, если технология достигнет зрелости
Инструменты редактирования генов , такие как CRISPR, могут дать ученым ключи к царству ДНК, позволяя нам находить «молекулярные ошибки» и устранять их. По словам Никола Патрона, молекулярного и синтетического биолога из Института Эрлхэма в Великобритании, «мы приближаемся к точке, где мы можем исследовать различные комбинации генов, контролировать, когда, где и в какой степени они экспрессируются, а также исследовать роли отдельных оснований ДНК. Понимание того, что делают последовательности ДНК, позволяет нам решать проблемы во всех областях биологии, от лечения болезней человека до выращивания достаточного количества здоровой пищи, открытия и создания новых лекарств, чтобы понять, почему некоторые виды вымирают. "
Существует множество распространенных проблем, которые потенциально можно решить с помощью редактирования генов.
Когда-нибудь исследователи смогут избавиться от малярии у комаров. Исследователи уже создали москитов, устойчивых к малярии, удалив определенный сегмент ДНК комаров. Нейродегенеративные заболевания, такие как болезнь Альцгеймера и Паркинсона, потенциально могут уйти в прошлое. Ученые уже работают над платформами на основе CRISPR, чтобы идентифицировать гены, контролирующие клеточные процессы, которые приводят к нейродегенеративным заболеваниям. В 2017 году исследователи использовали CRISPR, чтобы отключить способность вируса ВИЧ к репликации, удалив вирус ВИЧ из инфицированных клеток.
В 2016 году пациент с раком легких в Китае стал первым человеком, которому сделали инъекцию клеток, модифицированных с помощью CRISPR. Исследователи использовали CRISPR, чтобы отключить ген, который раковые клетки используют для деления и размножения. Исследователи надеются, что без гена раковые клетки не будут размножаться.
От сельского хозяйства до фармацевтики - редактирование генов однажды может помочь нам построить лучший мир.
Можно ли в конечном итоге редактировать людей? Приведет ли это к генетической дискриминации?
Да и нет. Дизайнерские младенцы, кажется, ведут разговор при обсуждении CRISPR. Этические вопросы типа: «Можно ли использовать генную терапию на эмбрионе, если невозможно получить разрешение эмбриона на лечение?» или «Что, если генная терапия слишком дорога и только богатые люди могут получить к ней доступ и позволить себе?» лежат в основе забот большинства людей.
Что, если люди будут использовать эти инструменты для улучшения спортивных способностей или роста ребенка, а не для лечения болезней?
Приведет ли это к генетической дискриминации? Хотя исследователи все еще обсуждают аргументы за и против, редактирование генов у людей уже началось.
США, Китай и Великобритания одобрили редактирование генов у людей только в исследовательских целях.
Нам еще предстоит долгий путь, прежде чем мы будем гулять с мутантами
Даже популярные инструменты редактирования генов, такие как CRISPR, все еще не идеальны. В некоторых случаях инструменты редактирования генов делают разрезы не в том месте, и исследователи до сих пор не уверены на 100%, как это повлияет на людей. Правильное решение этических проблем и обеспечение безопасности редактирования генов - все еще две огромные горы, на которые ученым нужно подняться, прежде чем мы увидим основные методы лечения генома.
