CRISPR-Cas

Эволюционный эксперимент показал, как совместное действие двух факторов — внутривидовой конкуренции и гонки вооружений с паразитами — направляет эволюцию внутривидового разнообразия у бактерий. Подтвердилась классическая гипотеза «убей победителя», согласно которой паразиты поддерживают разнообразие способов защиты у жертв, поражая особей с самым частым вариантом защиты.

Американские ученые показали, что системы CRISPR-Cas и рестрикции-модификации могут действовать сообща. Система рестрикции-модификации заточена на опознание вирусной ДНК по специфическим участкам и внесение разрезов в них. Работа эндонуклеаз рестрикции повышает эффективность системы CRISPR-Cas, облегчая подготовку маленьких кусочков вирусной ДНК для вставки в локус CRISPR.

Американские генетики исследовали свойства и работу эндонуклеаз, родственных Cas9. Системы с участием этих эндонуклеаз функционируют примерно так же, как и CRISPR-Cas9, и в ней направляющая РНК тоже может менять таргетные участки. Такие комплексы «РНК + эндонуклеаза» чрезвычайно широко распространены у микроорганизмов, что указывает на их востребованность в работе генома.

Недавно группе американских исследователей удалось исправить мутацию в гене β-глобина, ответственную за развитие серповидноклеточной анемии, а другой международной группе ученых — создать мутантный вариант гена PCSK9, который снижает уровень липопротеинов низкой плотности. Обе работы используют модернизированные версии метода редактирования оснований ДНК.

Исследователи показали, что систему точечного редактирования генома CRISPR/Cas9 можно использовать для направленного уничтожения раковых клеток. Для этого ее компоненты, настроенные на вырезание гена PLK1, помещали в липидные наночастицы, которые вводили мышам в опухоли. Терапия показала хорошие результаты против глиобластомы и аденокарциномы яичника, увеличивая продолжительность жизни мышей и сокращая размер опухолей.

В этом году Нобелевская премия по химии присуждена американке Дженнифер Дудне и француженке Эммануэль Шарпантье «за исследование метода редактирования генома». Они сыграли важнейшую роль в изучении CRISPR — природной системы приобретенного иммунитета у микроорганизмов, — доведя понимание о том, как она работает, до такой четкости, что смогли создать ее искусственный аналог, позволяющий выполнять операции над ДНК с поразительной точностью.

Ученые из Гарварда опубликовали описание нового подхода к редактированию генома, который позволяет делать любые однонуклеотидные замены и более крупные вставки и делеции, но отличается от классического CRISPR/Cas9-редактирования большей аккуратностью. Это стало возможным благодаря тому, что новый редактор обходится без двухцепочечных разрезов ДНК и самостоятельно достраивает редактируемую цепь.

Система CRISPR-Cas защищает бактерии и археи от вирусов и других генетических паразитов: фрагменты ДНК паразитов вставляются в геном хозяйской клетки и затем используются как образцы для поиска и уничтожения молекул ДНК или РНК с такой же нуклеотидной последовательностью. Американские биологи обнаружили, что некоторые мобильные генетические элементы научились использовать эту систему в собственных интересах. Это исследование открывает перед генной инженерией новые заманчивые перспективы.

О революционных методах изменения ДНК, позволяющих программировать невиданные доселе признаки; о том, как приручить вирус и заставить его на себя работать; как поломать ген, починить ген, вставить новый ген и даже внедрить целый организм — всё это в лекции «Как программировать ДНК».

Несмотря на уже более чем десятилетнюю историю изучения системы CRISPR-Cas и применения ее для редактирования генома, до сих пор никто не наблюдал ее за работой. Японские ученые устранили этот пробел и первыми в мире получили видео этого процесса, используя высокоскоростной атомно-силовой микроскоп. При этом выяснилось, что элементы системы связываются с молекулами ДНК не так, как считалось ранее.

Методы редактирования геномов, разработанные на основе системы CRISPR-Cas, предполагают разрезание обеих цепей геномной ДНК с последующей починкой двойных разрывов, что чревато ошибками. Биоинженеры из Гарвардского университета при помощи искусственной эволюции создали аденозиндезаминазу, которая может работать с ДНК. Благодаря этому резко расширились возможности «редактирования оснований» — химической модификации нуклеотидов без создания двойных разрывов.

10 лет назад было доказано наличие приобретенного иммунитета у прокариот и продемонстрирована его работа на основе транскриптов CRISPR. За это десятилетие приобретенный иммунитет бактерий и архей из разряда экзотических явлений в мире микробов перешел в их неотъемлемые свойства.

Сразу два коллектива авторов из США опубликовали исследования, посвященные интригующему вопросу утраты конечностей змеями. Оказалось, что эволюция змей сопровождалась существенными изменениями в высококонсервативном регуляторном участке, отвечающем за включение экспрессии гена SHH (Sonic hedgehog). Эксперименты по редактированию генома мыши позволили получить убедительные свидетельства в пользу рассматриваемой гипотезы.

Эффективность системы наследуемого приобретенного иммунитета CRISPR-Cas, широко распространенная у прокариот, обеспечивается тем, что благодаря ее работе разные бактерии учатся распознавать вирус по разным участкам его генома. В результате способы защиты бактерий от данного вируса становятся настолько разнообразными, что никакие точечные мутации уже не помогают вирусам эффективно приспособиться к коллективной обороне жертв. Это способствует эволюции специальных вирусных генов, подавляющих работу системы CRISPR в целом, а бактерии отвечают на это эволюцией новых вариантов системы CRISPR.

Хотя прокариоты — это одни из самых просто организованных существ на Земле (проще устроены только вирусы), их устройство поражает своим изяществом и совершенством. Недавно в научном мире буквально совершило переворот открытие прокариотических CRISPR-систем, которые обеспечивают приобретенный иммунитет к вирусам и плазмидам. О работе этих систем и о том, что их изучение может дать человечеству, рассказал Константин Северинов.