Teadlased panevad suuri lootusi tehnoloogiale CRISPR / Cas9, mis võimaldab elusorganismide, sealhulgas inimeste genoomides ülitäpseid muutusi. Kõik uued teadusartiklid on avaldatud, kirjeldades erinevaid CRISPR-süsteemide tüüpe ja nende modifikatsioone. "Lenta.ru" räägib selles valdkonnas 2016. aastal tehtud avastustest.
Tuhanded neist
CRISPR / Cas9 on bakterite adaptiivne immuunsussüsteem, mis võimaldab mikroorganismidel viirustega võidelda. See koosneb speisseritest - DNA sektsioonidest, mis vastavad nakkusetekitaja DNA teatud fragmentidele (protospacers). Vahetükid kodeerivad spetsiifilisi crRNA molekule, mis seonduvad Cas9 ensüümiga. Saadud kompleks kinnitub viiruse DNA ahelale ja Cas9 töötab nagu käärid, lõigates selle.
Tegelikult on CRISPR / Cas9 vaid üks paljudest sarnastest süsteemidest, mis bakteritel ja arheedel on. Teadlased jagavad need kahte klassi. Esimene klass hõlmab I, III ja IV tüüpi CRISPR-süsteeme ning teine - II ja V. II tüüp sisaldab Cas9-valku, mis on seotud uute speisserite omandamisega, crRNA akumuleerumisega rakus ja DNA lõhustamises. Teistes süsteemides kasutatakse nendel eesmärkidel mitme valgu komplekse. See muudab II tüübi kõige lihtsamaks CRISPR-süsteemi tüübiks, mis sobib geenitehnoloogia vajadusteks.
Tüüpe võib omakorda jagada alamtüüpideks sõltuvalt sellest, milliseid täiendavaid geene CRISPR-iga seostatakse. Näiteks sisaldavad IIA-süsteemid geeni csn2, mis kodeerib valku, mis seondub DNA-ga ja on seotud speisserite omandamisega. IIB süsteemides csn2 puudub, kuid on olemas cas4 geen, mille funktsioon pole siiani teada ja IIC süsteemides pole ei csn2 ega cas4.
Aarded bakterite sees
Reklaamvideo:
Teadlased on laboratoorsetes tingimustes kasvatatud bakterite poolt avastanud kõik teadaolevad CRISPR-süsteemid. Siiski on tohutult palju harimata mikroorganisme, mille hulka kuuluvad nii arheed kui ka bakterid. Nad elavad tavaliselt ekstreemsetes tingimustes - mahajäetud kaevandustes mineraalallikates või mürgistes veekogudes. Kuid teadlased saavad neist eraldada DNA ja tuvastada selles konkreetsed piirkonnad. 22. detsembril Nature's avaldatud uues dokumendis dekodeerisid Berkeley California ülikooli geneetikud looduslike mikroobikoosluste genoomid, avastades CRISPR-süsteemi muid variatsioone.
Bakteriofaag - viirus, mis nakatab baktereid
Pilt: Giovanni Cancemi / Depositphotos
Teadlastel õnnestus välja selgitada, et teatud tüüpi vähese uurimisega kaaretaolisi nanoorganisme ARMAN omavad ka CRISPR / Cas9, kuigi varem arvati, et neid on ainult bakteritel. Tuleb märkida, et see süsteem on IIC ja IIB alatüübi vahel vahepealses kohas ja võib olla kaitseks parasiitsete "hüppavate" geenide (transposoonide) eest, mis sisenevad mikroorganismi teistest arheedest. Katse reprodutseerida arheoloogilise CRISPR / Cas9 aktiivsust E. colis (Escherichia coli) ei viinud midagi, mis viitab süsteemi reguleerivate täiendavate spetsiifiliste mehhanismide olemasolule.
Uut tüüpi teise klassi süsteemid CRISPR / CasX ja CRISPR / CasY eraldati ka põhjavees ja setetes elavatest bakteritest. CRISPR / CasX süsteem sisaldab valke Cas1, Cas2, Cas4 ja CasX. Viimast, nagu näitasid katsed E. coli'ga, eristatakse nukleaasi aktiivsuse järgi, see tähendab, et see on võimeline lõhustama võõrast DNA-d nagu Cas9. See juhtub aga ainult siis, kui TTCN järjestus on protosfääride ees, kus N on ükskõik milline neljast nukleotiidist. Selliseid järjestusi nimetatakse PAM-iks (protospaceri külgnev motiiv - protospaceriga külgnev motiiv). CRISPR / Cas9 süsteemil on ka oma PAM - NGG, mis peaks asuma protosoburi järel. Lisaks suudab CRISPR / CasY lõigata DNA-d, kui sihtkoha lähedal on TA PAM järjestus.
Mis on selle avastuse lubadus? Fakt on see, et tuvastatud süsteemid on praegu teadaolevalt kõige kompaktsemad. Teadlaste sõnul muudab nende tööks vajalik väike valkude kogus CRISPR / CasX ja CRISPR / CasY mugavaks tööriistaks DNA redigeerimiseks. Pealegi paljastavad metagenoomilised uuringud, mille käigus uuritakse keskkonnast saadud DNA-d, muud tüüpi CRISPR-süsteemid, mis on geenitehnoloogia jaoks kasulikud.
Tee tipptasemele
Loomulikult on looduses CRISPR-süsteemide otsimisele alternatiiv - juba olemasoleva CRISPR / Cas9 tehnoloogia täiustamine. Vaatamata suurele täpsusele teeb ta vigu, lõigates DNA valesse kohta. See raskendab geenides õigete muutuste tegemist ja seetõttu pärilike haiguste tõhusat ravi. Seetõttu otsivad teadlased võimalusi süsteemi jõudluse parandamiseks. 2016. aastal on CRISPRi modifitseerimisele ja selle muutmiseks erinevateks geenivahenditeks pühendatud palju teadustöid.
Valk Cas9 ja crRNA - CRISPR-süsteemi peamised komponendid
Pilt: Steve Dixon / Feng Zhang / MIT
Niisiis avaldas ajakiri Cell 8. detsembril Toronto ülikooli teadlaste artikli, mis on loonud "CRISPR-vastase" - süsteemi, mis lülitab mehhanismi teatud tingimustel välja. See võimaldab Cas9 aktiivsust pärssida, kui juht-RNA seondub vale fragmendiga ja hoiab ära vigu. Anti-CRISPR koosneb kolmest nukleaasi inhibeerivast valgust. Loomulikult ei leiutanud seda esialgu teadlased, vaid viirused, mis neutraliseerisid seega bakterite immuunsuse.
Juunis kinnitasid Ameerika teadlased koos kolleegidega Venemaalt, et fusobakterist Leptotrichia shahii saadud CRISPR / C2c2 süsteem võib lõigata üheahelalise RNA. Selle tulemusena saab CRISPR-süsteemi kasutada Messenger RNA välja lülitamiseks - funktsioonide pärssimiseks -, mis kannab teavet geenidest ribosoomidesse, kus selle alusel sünteesitakse valke.
Mais lõid California ülikooli teadlased tehnoloogia CRISPR-EZ, mis võimaldab peaaegu sajaprotsendilise eduga sisestada hiire embrüote genoomidesse uusi DNA molekule. CRISPR / Cas9 süsteem süstitakse viljastatud loomamunadesse mikroskoopilise nõela ja väikese elektrilahenduse abil. Oma eksperimendis õnnestus teadlastel 88 protsendil hiirtel juurutada mutatsioon geenis. See ületab geneetiliselt muundatud hiirte arvu, mis on toodetud CRISPR-i redigeerimisel, kus kasutatakse tavapäraseid süste.
Aprillis töötasid Massachusettsi ülikooli meditsiinikooli molekulaarbioloogid, kasutades Cas9 mutantset varianti, millel puudub nukleaasiaktiivsus, CRISPRainbow tehnoloogia. Suunav RNA, mis näitab, kus ensüümid seonduvad, sisaldas fluorestseeruvaid silte, mis võimaldab näiteks jälgida liikuvate geneetiliste elementide liikumist.
Anopheles sääsk võib olla CRISPR-süsteemide esimene ohver
Foto: Jim Gathany / Vikipeedia
Vapper uus maailm
Teadlased kasutavad juba CRISPR-süsteeme geneetiliselt muundatud organismide, näiteks malaaria sääse loomiseks, mis levitavad kahjulikke geene oma metsikute sugulaste seas. Seda meetodit nimetatakse geenide juhtimiseks. Kui üks indiviidi vanematest oli mutantgeeni kandja, siis annab ta selle oma järeltulijatele edasi 50-protsendilise tõenäosusega. Seda seetõttu, et vanemal on kaks geeni koopiat ja ainult üks neist on defektne. CRISPR suudab kopeerida mutantfragmenti ja sisestada selle tervesse geeni. Selle tulemusena saavad järeltulijad mutatsiooni 100% tõenäosusega.
Rekombinantse DNA nõuandekomitee (RAC) eksperdid kiitsid 2016. aastal heaks Pennsylvania ülikooli taotluse inimese geneetilise muundamise testide läbiviimiseks CRISPR / Cas9 tehnoloogia abil.
Hiinlased aga jõudsid neist mööda. Novembris teatas ajakiri Nature, et Hiina teadlased tõid esimest korda inimestesse rakke CRISPR / Cas9 süsteemi poolt modifitseeritud geenidega. Teadlased eraldasid metastaatilise kopsuvähiga patsiendi verest immuunrakud (T-lümfotsüüdid) ja kasutasid seejärel PD-1 valku kodeeriva geeni väljalülitamiseks CRISPR-tehnoloogiat. On näidatud, et viimane pärsib immuunsust, soodustades kasvaja kasvu. Teadlased kultiveerisid redigeeritud rakke, suurendades nende arvu ja süstides neid siis tagasi inimkehasse. Kas geeniteraapia haigusega toime tuleb, on veel oodata.
CRISPR-süsteeme saab kasutada ka HIV-i ja inimeste pärilike haiguste vastu võitlemiseks. Tõhusate ravimeetodite väljatöötamiseks on siiski vaja täiendavaid uuringuid. Muidugi ei räägi me mutantidest, nagu ulmefilmides, kuid teadlased suudavad kiiresti luua geneetiliselt muundatud organisme, näiteks parasiitidele resistentsed põllumajandustaimed. Jääb üle vaadata, miks teadlased, kes avastasid CRISPRi ja mõistsid, kuidas seda saaks kasutada, pole veel Nobeli preemiat saanud.
Aleksander Enikeev
