Злые хомяки, горячие свиньи и восстановление зрения: что учёные делают с помощью технологии редактирования генов CRISPR

CRISPR позволяет копировать и вставлять изменения в гены живых организмов — так лечат болезни и модифицируют растения и животных.

В 2012 году открытие инструмента для редактирования генов CRISPR-Cas9 произвело революцию в способности учёных модифицировать ДНК. Это открыло возможность для новых методов лечения ряда заболеваний, включая рак, диабет, генетические формы слепоты и заболевания крови. С его помощью исследователи также вносили изменения для улучшения сельскохозяйственных культур и животных, включения новых форм борьбы с вредителями и создания новых полезных типов микробов.

TJ рассказывает о прорывной технологии и самых интересных случаях её применения.

CRISPR — это защитная система бактерий, которая состоит из повторяющихся последовательностей генетического кода, прерываемых «спейсерными» последовательностями — остатками генетического кода прошлых захватчиков иммунной системы. Система служит генетической памятью, которая помогает клетке обнаруживать и уничтожать захватчиков (бактериофагов), когда они возвращаются.

Cas9 — один из ферментов, вырабатываемых системой CRISPR. Он способен связываться с ДНК и разрезать её, отключая целевой ген.

Учёным удалось запрограммировать Cas9 на воздействие на определённые участки генетического кода, то есть для редактирования ДНК в конкретных местах. Так появилась известная технология CRISPR-Cas9.

Позднее исследователи открыли другие ферменты, которые так же могут воздействовать на ДНК — например, Cas13. Благодаря открытию разнообразных ферментов, которые работают немного по-разному, учёные создали систему CRISPR-Combo — она может одновременно редактировать несколько генов.

CRISPR — это самый простой, универсальный и точный метод генетических манипуляций, который используют исследователи по всему миру. И делают прорывные, необычные, а иногда пугающие открытия.

В мае 2022 года группа американских учёных опубликовала результаты неудавшегося исследования. В надежде уменьшить агрессивность сирийских хомяков с помощью редактирования генов они, наоборот, сделали грызунов ещё злее.

Исследователи заблокировали рецептор Avpr1a, отвечающий за активность вазопрессина — гормона, связанного с агрессией. Затем модифицированных хомяков смешали с однопометниками и сравнили с диким типом (неотредактированными хомяками), чтобы понять уровень их агрессии и социальное поведение. Ожидалось, что грызуны станут менее общительными и агрессивными.

Но они, наоборот, стали гораздо больше общаться между собой и чаще конфликтовать. При этом агрессивность не соответствовала типичному образцу, в котором самцы более агрессивны, чем самки: и самцы, и самки стали агрессивными по отношению к другим хомякам своего пола.

Китайские учёные попытались помочь фермерам сократить расходы на содержание свиней, точнее — на отоплении свинарников.

Специалисты привили свиньям специальный протеин UCP1, известный своей способностью регулировать температуру тела и сжигать жир. В результате у 12 животных стало на 24% меньше жировых отложений, чем у немодифицированных — а ещё они стали намного горячее и могли греться в холода естественным способом.

Кроме того, из таких свиней можно делать диетический бекон — и по аналогии со свиньями так же можно отредактировать геном других видов животных, употребляемых в пищу. Правда, пока говорить о том, что генетически модифицированное обезжиренное мясо появиться на полках магазинов, рано — нужны одобрения профильных ведомств.

В 2021 году африканские учёные создали банан, устойчивый к бактериальному заболеванию, опустошающему фермы по всему континенту. Речь идёт о банановом ксантомонадном увядании (BXW), которое легко распространяется и убивает любое банановое растение, которое заражает. Единственный выход для фермера после заражения — срезать и сжечь все растение.

Все виды культивируемых бананов восприимчивы к BXW, поскольку являются клонами — но скоро эта проблема решится. Впрочем, угроза исчезновения этого фрукта, из-за того, что все растения являются клонами, вполне реальна: в прошлом сорта бананов уже чуть не исчезли из-за таких инфекций, как панамская болезнь.

С помощью технологии редактирования генов можно не только спасти виды от вымирания, но и воскресить вымершие. Американская компания Colossal планирует воссоздать популяцию вымерших шерстистых мамонтов.

Формально это будут не «чистокровные» мамонты, а гибриды — учёные смешают гены шерстистых мамонтов с генами азиатских слонов. Однако ДНК мамонтов и азиатских слонов совпадают на 99,6%, причём учёные возьмут от мамонтов те самые характерные исключительно для них 0,4% генов.

Необходимые участки генетического кода мамонтов учёные планируют получить из хорошо сохранившихся останков. Созданные эмбрионы будут вынашивать либо живые азиатские слоны, либо искусственные матки.

Семи американским пациентам с редким генетическим заболеванием глаз врачи ввели в сетчатку модифицировали безвредный вирус, который действует как проводник. Вирус убрал генетическую мутацию, вызывающую LCA — заболевание, которое выводит из строя важные клетки сетчатки. Кроме того, такое воздействие реактивировало спящие клетки.

Результаты учёных были впечатляющими: одна из пациенток, которая ранее даже не могла передвигаться с тростью по офису, смогла видеть дверные проёмы, ориентироваться в коридорах, различать предметы и видеть цвета.

Другой пациент всего через месяц после процедуры впервые за много лет стал видеть цвета. Он заметил это случайно, когда мимо него проехала красная машина. Но самый драматический момент произошел на танцполе свадьбы его двоюродной сестры.

У каждого из семи пациентов процедура проводилась на одном глазу на случай, если что-то пойдет не так. Но всё прошло успешно, и врачи заявляли о планах вылечить им и вторые глаза.

В 2018 году китайский учёный Цзянькуй Хэ отредактировал гены жизнеспособных эмбрионов, сделав их устойчивыми к ВИЧ. По замыслу исседователя, рождённые дети должны иметь в гене мутацию CCR5-Δ32, которая дальше будет передаваться по наследству.

Учёный брал пары с ВИЧ-позитивными мужчинами, которые принимали антиретровирусную терапию. Сперму очищали от жидкости, которая могла содержать ВИЧ, а затем соединяли с яйцеклеткой. После этого оплодотворённая яйцеклетка подвергалась редактированию гена CCR5 для его отключения.

Насколько оказался эффективен этот метод — неизвестно. После того, как об эксперименте Хэ стало известно по всему миру, им заинтересовалась полиция. В итоге учёный получил три года тюрьмы и штраф в три миллиона юаней за проведение незаконного эксперимента с рождением детей из эмбрионов с отредактированным геномом — такие действия запрещены в большинстве стран мира, в том числе и в Китае.

В 2017 году в Китае провели другой эксперимент по редактированию генома. Тогда 27-летнему ВИЧ-позитивному пациенту с острым лимфоцитарным лейкозом трансплантировали генно-модифицированные стволовые клетки, которые предварительно отредактировали при помощи CRISPR.

Изменить удалось только 17% генов, после приживления их доля в костном мозге составляла не более 5-8%. Затем пациент решил прервать антиретровирусную терапию: всего за четыре месяца количество иммунных клеток сильно снизилось при росте активности вируса, поэтому пришлось вернуться к приёму лекарств. То есть метод оказался неэффективен.

Использование CRISPR поднимает серьёзные этические и социальные проблемы: учёные уже способны вносить точные изменения в геном человека, но где же находится грань? Технология позволяет предотвращать генетические заболевания, но её возможности этим не ограничиваются. В теории можно генетически улучшать людей, делая их, например, более устойчивым к холодам.

Некоторые учёные уже говорят о целях глобального масштаба. Например, биолог Джордж Черч из Гарвардского университета в США заявил, что главная цель — переписать весь человеческий геном с нуля, открывая перспективы гораздо более масштабных, но и более точных модификаций — например, сделать нашу ДНК неузнаваемой для патогенных вирусов.

Тревожным является появляющееся применение CRISPR к нечеловеческим организмам. Возможность создавать организмы первого поколения (то есть с нуля) с желаемыми характеристиками может стимулировать их развитие без достаточных механизмов сдерживания. А затем такие организмы могут попасть в окружающую среду, где в дальнейшем возможна потеря контроля над их распространением.

Кроме того, в теории CRISPR можно использовать для биотерроризма или биологической войны. Простота и эффективность CRISPR вызывает опасения, что любой человек с соответствующим оборудованием может создать, например, устойчивый к вакцинам вирус гриппа или инвазивные виды в примитивной лаборатории.

#crispr #биология #генетика