Crispr недостаточно. Приготовьтесь к генетическому редактированию 2.0

Менее чем за пять лет технология редактирования генов, известная как Crispr, произвела революцию в современной биологии. С 2012 года, когда ее способность находить, удалять и заменять генетический материал была зарегистрирована впервые, ученые опубликовали более 5000 работ, упоминающих Crispr. Исследователи области биомедицины осваивают ее, чтобы лучше моделировать различные заболевания. И бесчисленные компании стали предпринимать попытки извлекать коммерческую пользу за счет новых лекарств, методов лечения, продуктов питания, химических веществ и материалов на основе этой технологии.

Обычно, когда мы ссылаемся на Crispr, мы имеем в виду Crispr/Cas9 — рибопротеиновый комплекс, состоящий из короткой цепи РНК и фермента, режущего ДНК. Он сделал для биологии и медицины то, что «Модель T» сделала для производства и транспорта — в процессе демократизируя доступ к революционной технологии и нарушая статус-кво (речь идет об автомобиле от Генри Форда, известном также под названием «Жестяная Лиззи» — первой в мире машине, выпускавшейся миллионными сериями с 1908 по 1927 годы. Она стала символом того, как Форд «посадил Америку на колёса», сделав легковой автомобиль сравнительно доступным для американца среднего класса — прим М.К.).

Crispr уже используется для улучшения состояния раковых больных, и в следующем году он может быть допущен к клиническим испытаниям для лечения генетических заболеваний, таких как серповидноклеточная анемия и бета-талассемия.

Но, как и «Модель T», Crispr Classic несколько неуклюж, ненадежен и немного опасен. Он не может связываться просто с любым местом в геноме. Иногда он производит коррекцию в неправильном месте. И у него нет выключателя. Если «Модель T» была склонна к перегреву, Crispr Classic подвержена «перееданию».

Даже с этими ограничениями Crispr Classic будет оставаться рабочей лошадкой для науки в 2018 году и позже. Но в этом году на производственной линии начали выпускаться новые, более яркие инструменты для редактирования генов, обещая затмить их брата первого поколения. Так что если вы только начали задумываться насчет Crispr — пристегнитесь, потому что генетическое редактирование 2.0 уже здесь.

Прицельное режущее воздействие Crispr является его определяющей особенностью. Но когда Cas9 срезает две нити ДНК в организме, привносится элемент риска — при восстановлении такой внезапной травмы генома клетки могут начать ошибаться. Именно поэтому ученые разрабатывают способы достижения тех же самых результатов более безопасным образом.

Один из подходов состоит в том, чтобы создать мутацию фермента Cas9 — такую, чтобы он все еще мог связываться с ДНК, но чтобы его «ножницы» не работали. Затем другие белки, которые активируют экспрессию генов, можно будет комбинировать с этим Cas9, позволяя им включать и выключать гены (иногда с помощью света или химических сигналов) без изменения последовательности ДНК. Такое «эпигенетическое редактирование» может быть использовано для решения ситуаций, возникающих при наличии совокупности генетических факторов — в противоположность простым единичным нарушениям, наиболее подходящих для Crispr Classic (в начале этого месяца исследователи из Института Солка использовали одну такую систему для лечения нескольких заболеваний у мышей, включая диабет, острую почечную недостаточность и мышечную дистрофию).

Другие ученые, в Гарварде и Бродском институте, работают над еще более смелой настройкой системы Crispr: редактирование отдельных пар оснований, по одному за раз. Для этого им пришлось разработать совершенно новый фермент — не взятый из природных — который мог бы химически преобразовать парное соединение нуклеотидов A-T в G-C. Это небольшое изменение с потенциально огромными последствиями. Дэвид Лю, химик из Гарварда, чья лаборатория выполняла эту работу, подсчитала, что примерно половина из 32 000 известных патогенных точечных мутаций у людей может быть исправлена этим единственным преобразованием.

«Я не хочу, чтобы общественность пришла к ошибочной идее, что мы можем заменить любую часть ДНК на любую другую часть ДНК у любого человека или любого животного или даже на любую клетку в чашке», — говорит Лю. — «Но нахождение даже там, где мы сейчас, возлагает большую ответственность. Большой вопрос состоит в том, насколько эффективнее будет становиться этот подход со временем? И как быстро мы сможем перевести эти технологические достижения в пользу общества?»

Crispr развился в бактериях как примитивный механизм защиты. Его задача состояла в том, чтобы находить вражескую вирусную ДНК и резать ее до тех пор, пока ее не останется. Это акселератор без тормозов, и это может сделать его опасным, особенно для клинических применений. Чем дольше Crispr будет оставаться в клетке, тем выше будет шанс, что он найдет что-то похожее на его целевой ген и сделает разрез.

Чтобы свести к минимуму эти «нецелевые» эффекты, ученые разработали ряд новых инструментов для более жесткого контроля активности Crispr.

На настоящий момент исследователи выделили 21 уникальное семейство естественных Crispr-белков — маленьких молекул, которые отключают генетический редактор. Но они знают, как работает только часть из них: некоторые связываются непосредственно с Cas9, не позволяя ему прикрепляться к ДНК; другие включают ферменты, которые вытесняют Cas9 для пространства на геноме. 
В настоящее время исследователи из Калифорнийского университета в Беркли, UCSF, Гарвард, Брод и Университета Торонто усердно работают над тем, как превратить эти естественные «выключатели» в те, которые можно будет программировать.

Помимо медицинских применений, это будет иметь решающее значение для дальнейшего развития генных драйвов — технологии редактирования генов, которая может быстро распространять желаемую модификацию в популяции.

Способность подталкивать эволюцию тем или иным образом станет мощным инструментом для борьбы со многими проблемами — от болезней до изменений климата. Она рассматривается в качестве инструмента для уничтожения малярийных комаров и истребления других вредных видов. Но выпущенная на свободу, она может выйти из-под контроля и, возможно, приводить к тяжелым последствиям. Только в этом году Darpa вложило 65 миллионов долларов на поиск более безопасных генных драйвов, в т.ч. «выключателей» анти-Crispr.

Несмотря на многолетние успехи, ученые до сих пор не понимают многого в отношении того, как именно ошибки в ДНК могут вызывать у человека болезнь. Они знают, какие гены участвуют в клеточных «руководствах к действию», однако сложно понять, куда эти команды доставляются, и как они переводятся (в том числе неверно) в процессе. Именно поэтому группы в Гарварде и Бродском институте во главе с сооткрывателем Crispr Фэн Чжан работают с новым классом ферментов Cas, которые нацелены на РНК вместо ДНК.

Поскольку они являются инструкциями, которые механизмы клетки используют для создания белков, они несут больше информации о генетических основах конкретных заболеваний. И поскольку РНК приходит и уходит, внесение изменений в нее будет полезно для лечения краткосрочных проблем, таких как острое воспаление или рана. Система, которую они называют Repair (что расшифровывается как «RNA Editing for Programmable A to I Replacement» — «редактирование РНК для программируемой замены A на I»), пока работает только для преобразования одного нуклеотида. Следующий шаг — выяснить, как создать остальные 11 возможных комбинаций.

Ученые постоянно находят новые ферменты Cas. Команды в Бродском институте также работают над тем, чтобы описать cpf1 — версию Cas, которая оставляет липкие концы вместо дефосфорилированных, когда режет ДНК. В феврале группа из UC Berkeley обнаружила CasY и CasX, самые компактные системы Crispr. И исследователи ожидают, что в ближайшие месяцы и годы появятся многие другие.

Только время покажет, был ли Crispr-Cas9 лучшим из них, или просто первым, кто захватил умы одного поколения ученых. «Мы не знаем, что будет работать лучше всего в разных вариантах применения», — говорит Меган Хохштрассер, которая сделала свою кандидатскую в лаборатории сооткрывателя Crispr Дженнифер Дудна и теперь работает в Инновационном Институте Геномики. — «Так что на данный момент я считаю, что всем необходимо делать ставку на все эти инструменты одновременно».

Потребуется много лет работы, чтобы текущее поколение генных редакторов перешло из лаборатории к реальным пациентам, линиям овощей и сельскохозяйственным вредителям, несущим болезни.

Если генетическое редактирование 3.0 не сделает их устаревшими первым.

Менее чем за пять лет технология редактирования генов, известная как Crispr, произвела революцию в современной биологии. С 2012 года, когда ее способность находить, удалять и заменять генетический материал была зарегистрирована впервые, ученые опубликовали более 5000 работ, упоминающих Crispr. Исследователи области биомедицины осваивают ее, чтобы лучше моделировать различные заболевания. И бесчисленные компании стали предпринимать попытки извлекать коммерческую пользу за счет новых лекарств, методов лечения, продуктов питания, химических веществ и материалов на основе этой технологии.

Обычно, когда мы ссылаемся на Crispr, мы имеем в виду Crispr/Cas9 — рибопротеиновый комплекс, состоящий из короткой цепи РНК и фермента, режущего ДНК. Он сделал для биологии и медицины то, что «Модель T» сделала для производства и транспорта — в процессе демократизируя доступ к революционной технологии и нарушая статус-кво (речь идет об автомобиле от Генри Форда, известном также под названием «Жестяная Лиззи» — первой в мире машине, выпускавшейся миллионными сериями с 1908 по 1927 годы. Она стала символом того, как Форд «посадил Америку на колёса», сделав легковой автомобиль сравнительно доступным для американца среднего класса — прим М.К.).

Crispr уже используется для улучшения состояния раковых больных, и в следующем году он может быть допущен к клиническим испытаниям для лечения генетических заболеваний, таких как серповидноклеточная анемия и бета-талассемия.

Но, как и «Модель T», Crispr Classic несколько неуклюж, ненадежен и немного опасен. Он не может связываться просто с любым местом в геноме. Иногда он производит коррекцию в неправильном месте. И у него нет выключателя. Если «Модель T» была склонна к перегреву, Crispr Classic подвержена «перееданию».

Даже с этими ограничениями Crispr Classic будет оставаться рабочей лошадкой для науки в 2018 году и позже. Но в этом году на производственной линии начали выпускаться новые, более яркие инструменты для редактирования генов, обещая затмить их брата первого поколения. Так что если вы только начали задумываться насчет Crispr — пристегнитесь, потому что генетическое редактирование 2.0 уже здесь.

Прицельное режущее воздействие Crispr является его определяющей особенностью. Но когда Cas9 срезает две нити ДНК в организме, привносится элемент риска — при восстановлении такой внезапной травмы генома клетки могут начать ошибаться. Именно поэтому ученые разрабатывают способы достижения тех же самых результатов более безопасным образом.

Один из подходов состоит в том, чтобы создать мутацию фермента Cas9 — такую, чтобы он все еще мог связываться с ДНК, но чтобы его «ножницы» не работали. Затем другие белки, которые активируют экспрессию генов, можно будет комбинировать с этим Cas9, позволяя им включать и выключать гены (иногда с помощью света или химических сигналов) без изменения последовательности ДНК. Такое «эпигенетическое редактирование» может быть использовано для решения ситуаций, возникающих при наличии совокупности генетических факторов — в противоположность простым единичным нарушениям, наиболее подходящих для Crispr Classic (в начале этого месяца исследователи из Института Солка использовали одну такую систему для лечения нескольких заболеваний у мышей, включая диабет, острую почечную недостаточность и мышечную дистрофию).

Другие ученые, в Гарварде и Бродском институте, работают над еще более смелой настройкой системы Crispr: редактирование отдельных пар оснований, по одному за раз. Для этого им пришлось разработать совершенно новый фермент — не взятый из природных — который мог бы химически преобразовать парное соединение нуклеотидов A-T в G-C. Это небольшое изменение с потенциально огромными последствиями. Дэвид Лю, химик из Гарварда, чья лаборатория выполняла эту работу, подсчитала, что примерно половина из 32 000 известных патогенных точечных мутаций у людей может быть исправлена этим единственным преобразованием.

«Я не хочу, чтобы общественность пришла к ошибочной идее, что мы можем заменить любую часть ДНК на любую другую часть ДНК у любого человека или любого животного или даже на любую клетку в чашке», — говорит Лю. — «Но нахождение даже там, где мы сейчас, возлагает большую ответственность. Большой вопрос состоит в том, насколько эффективнее будет становиться этот подход со временем? И как быстро мы сможем перевести эти технологические достижения в пользу общества?»

Crispr развился в бактериях как примитивный механизм защиты. Его задача состояла в том, чтобы находить вражескую вирусную ДНК и резать ее до тех пор, пока ее не останется. Это акселератор без тормозов, и это может сделать его опасным, особенно для клинических применений. Чем дольше Crispr будет оставаться в клетке, тем выше будет шанс, что он найдет что-то похожее на его целевой ген и сделает разрез.

Чтобы свести к минимуму эти «нецелевые» эффекты, ученые разработали ряд новых инструментов для более жесткого контроля активности Crispr.

На настоящий момент исследователи выделили 21 уникальное семейство естественных Crispr-белков — маленьких молекул, которые отключают генетический редактор. Но они знают, как работает только часть из них: некоторые связываются непосредственно с Cas9, не позволяя ему прикрепляться к ДНК; другие включают ферменты, которые вытесняют Cas9 для пространства на геноме. 
В настоящее время исследователи из Калифорнийского университета в Беркли, UCSF, Гарвард, Брод и Университета Торонто усердно работают над тем, как превратить эти естественные «выключатели» в те, которые можно будет программировать.

Помимо медицинских применений, это будет иметь решающее значение для дальнейшего развития генных драйвов — технологии редактирования генов, которая может быстро распространять желаемую модификацию в популяции.

Способность подталкивать эволюцию тем или иным образом станет мощным инструментом для борьбы со многими проблемами — от болезней до изменений климата. Она рассматривается в качестве инструмента для уничтожения малярийных комаров и истребления других вредных видов. Но выпущенная на свободу, она может выйти из-под контроля и, возможно, приводить к тяжелым последствиям. Только в этом году Darpa вложило 65 миллионов долларов на поиск более безопасных генных драйвов, в т.ч. «выключателей» анти-Crispr.

Несмотря на многолетние успехи, ученые до сих пор не понимают многого в отношении того, как именно ошибки в ДНК могут вызывать у человека болезнь. Они знают, какие гены участвуют в клеточных «руководствах к действию», однако сложно понять, куда эти команды доставляются, и как они переводятся (в том числе неверно) в процессе. Именно поэтому группы в Гарварде и Бродском институте во главе с сооткрывателем Crispr Фэн Чжан работают с новым классом ферментов Cas, которые нацелены на РНК вместо ДНК.

Поскольку они являются инструкциями, которые механизмы клетки используют для создания белков, они несут больше информации о генетических основах конкретных заболеваний. И поскольку РНК приходит и уходит, внесение изменений в нее будет полезно для лечения краткосрочных проблем, таких как острое воспаление или рана. Система, которую они называют Repair (что расшифровывается как «RNA Editing for Programmable A to I Replacement» — «редактирование РНК для программируемой замены A на I»), пока работает только для преобразования одного нуклеотида. Следующий шаг — выяснить, как создать остальные 11 возможных комбинаций.

Ученые постоянно находят новые ферменты Cas. Команды в Бродском институте также работают над тем, чтобы описать cpf1 — версию Cas, которая оставляет липкие концы вместо дефосфорилированных, когда режет ДНК. В феврале группа из UC Berkeley обнаружила CasY и CasX, самые компактные системы Crispr. И исследователи ожидают, что в ближайшие месяцы и годы появятся многие другие.

Только время покажет, был ли Crispr-Cas9 лучшим из них, или просто первым, кто захватил умы одного поколения ученых. «Мы не знаем, что будет работать лучше всего в разных вариантах применения», — говорит Меган Хохштрассер, которая сделала свою кандидатскую в лаборатории сооткрывателя Crispr Дженнифер Дудна и теперь работает в Инновационном Институте Геномики. — «Так что на данный момент я считаю, что всем необходимо делать ставку на все эти инструменты одновременно».

Потребуется много лет работы, чтобы текущее поколение генных редакторов перешло из лаборатории к реальным пациентам, линиям овощей и сельскохозяйственным вредителям, несущим болезни.

Если генетическое редактирование 3.0 не сделает их устаревшими первым.