Успешное применение CRISPR/Cas9 системы для редактирования генома эмбриона
Генетические анализы в настоящее время направлены на предупреждение наследственного заболевания или своевременное вмешательство для снижения или предотвращения негативного эффекта заболевания. Это связано с тем, что развитие инструментов для фактического исправления мутации в гене, вызывающем наследственное заболевание, отстает от методов диагностики.
В чем же сложность исправления мутации в гене? У человека примерно 30 000 генов, взрослый человек состоит в среднем из 4 триллионов клеток, некоторые из них ежедневно обновляются. Для полного «исцеления» нужно исправить мутацию в каждой клетке организма и при этом не «испортить» другие гены. Тут и начинаются сложности.
Первая задача – это сам механизм исправления гена. Для исправления генетической «ошибки», приводящей к заболеванию, нужны весьма специфические инструменты – молекулярные «ножницы», которые разрежут ДНК в строго указанном месте, и «пинцет», который вместо вырезанного фрагмента с ошибкой вставит правильный кусок ДНК. Вся система клетки направлена на сохранение генетической информации в неизменном виде. ДНК, которая является материальным носителем этой информации, сама по себе в клетке не работает – это инструкция по построению разных функциональных молекул и их применению. Это значит, что любая попытка внести изменения в ДНК воспринимается клеткой как нападение, от которого она может защищаться разными способами. Некоторые вирусы научились встраиваться в ДНК человека в обход этой защиты. Их инструменты можно использовать для привнесения в ДНК клетки здорового гена целиком, с которого будет синтезироваться правильно работающий белок. Однако вирусы не заботятся о том, чтобы не испортить другие гены в чужом геноме при встройке, поэтому такой метод исправления мутаций может быть опасен нарушением других, здоровых генов.
Также есть специальные системы внутри клетки, которые помогают разным белкам, работающим с ДНК, находить нужные гены, следят за цельностью длинных молекул ДНК и т.д. Эти белки умеют распознавать определенную последовательность нуклеотидов, то есть их можно настроить так, чтобы они работали с высокой точностью только с тем участком, который нужно исправить. Однако проблема таких молекулярных ножниц заключается в том, что они очень большие и доставить их в клетки организма человека очень сложно.
Самая остроумная и многообещающая идея направляемых «молекулярных ножниц» основана на использовании свойств защитной системы бактерий. Еще в 1987 году в ДНК бактерий нашли необычные последовательности, которые позже назовут CRISPR-кассетами. Однако на тот момент разобрать их структуру и понять функцию не удалось. До 2006 года эти последовательности активно использовали для классификации бактерий, так как они значительно различаются не только между видами, но даже между штаммами – они были своеобразными генетическими карточками каждого бактериального штамма. Но в 2006 году, объединив данные о структуре CRISPR-кассет и ассоциированных с ними белков cas, исследователи поняли функцию всей этой системы, а также механизм ее работы. CRISPR/Cas система бактерий – это защитный механизм, предохраняющий одноклеточный организм от проникновения чужой ДНК. В ДНК CRISPR-кассеты хранится информация о вирусах, которые раньше попадались этой бактерии или ее предкам, в виде небольших фрагментов ДНК этих вирусов. С помощью этих фрагментов клетка вырабатывает сигнальные РНК, распознающие проникшую вирусную ДНК и направляющие к ней cas-белки, которые разрежут ее на небольшие безопасные для клетки куски. Получается, что эта система позволяет разрезать ДНК, но только в определенном месте в соответствии с тем, где укажут небольшие молекулы РНК. При использовании этого механизма для исправления мутации в клетку человека нужно доставить лишь небольшой (по сравнению с описанными выше собственными белками клетки) белок cas9 и «руководящую» РНК, которая укажет место мутации.
Второй задачей «починки» гена является доставка инструментов до всех клеток, чтобы исправить ошибку в каждой клетке организма. К этой задаче подходят с двух сторон. С одной стороны, в каждом типе клеток каждого органа работают разные гены. Это значит, что исправлять ген нужно не во всех клетках организма, а только в тех, в которых этот ген необходим для полноценного выполнения функций ткани или органа. Такой подход значительно ограничивает количество клеток, в которые нужно доставить инструментарий и позволяет подобрать наиболее эффективный способ в зависимости от особенностей этих клеток, тканей, органов. С другой стороны, наш организм изначально развивается из одной клетки и на ранних этапах развития эмбрион состоит всего из нескольких клеток. И если внести изменение на таком этапе, то с высокой эффективностью можно получить эмбрион с исправленной мутацией во всех клетках, а значит из него вырастет здоровый человек.
Несмотря на кажущуюся простоту идеи использовать систему CRISPR/Cas9 для исправления мутации на стадии зиготы (оплодотворенной яйцеклетки, из которой развивается эмбрион), такая процедура была успешно проведена только недавно. Исследователи из Китая представили результаты работы, в которой описали применение CRISPR/Cas9 для исправления точечной мутации в гене HBB, вызывающей β-талассемию, и мутации в гене G6PD, связанной с развитием дефицита глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы, на самой ранней стадии развития эмбриона – в зиготе.
Процедура по исправлению мутации на стадии зиготы проводилась при искусственном оплодотворении. В более ранних исследованиях оценивали эффективность редактирования генома с помощью системы CRISPR/Cas9 на нежизнеспособных зиготах с тремя пронуклеусами (результат некорректоного оплодотворения). Он оказался не слишком впечатляющим – исправление мутации наблюдали только 20% случаев.
В последней же работе провели процедуру редактирования генома на нормальных зиготах. При этом оказалось, что для мутации в гене HBB в 50% и для гена G6PD в 100% случаев мутация была исправлена. Это говорит о том, что система работает на потенциально жизнеспособных зиготах и может быть эффективна.
Важно понимать, что у этой работы есть как технические ограничения: малое количество образцов, отсутствие проверки на способность имплантироваться и нормально развиваться во время беременности, так и этические. В настоящее время эту систему планируют использовать для исследования влияния разных генов и мутаций в них на ранние стадии развития эмбриона, выявления функции разных генов в процессе имплантации эмбриона, что, возможно, позволит повысить эффективность процедур ЭКО.
Авторы: Вероника Юрьева, стажер
Светлана Жикривецкая, биолог-исследователь
Научные статьи-источники:
Bianconi E et al. An estimation of the number of cells in the human body. Ann Hum Biol, 2013
Tang L et al. CRISPR/Cas9-mediated gene editing in human zygotes using Cas9 protein. Mol Genet Genomics, 2017
