Новейшая система генной модификации
Иммунитет – естественный «иммунитет» бактерий, биохимическая система защиты от вирусов, которая требуется одноклеточным организмам, неспособным поддерживать такую сложную иммунную систему, как наша. Первые намеки на ее существование были найдены еще в конце 1980-х, когда Йошизу­ми Исино и его коллеги исследовали обыкновенную кишечную палочку, точнее говоря, один ее малопримечательный ген (iap).
На всякий случай японцы секвенировали его последовательность вместе с участками по бокам от него: может, там будут какие-то фрагменты, участвующие в регуляции активности iap?.. Вместо этого биологи обнаружили в ДНК длинные последовательности повторяющихся, совершенно идентичных повторов длиной ровно 29 нуклеотидов. Между ними – как сухие растения между листами бумаги в гербарии – оказались «проложены» короткие фрагменты длиной по 32 нуклеотида, которые не повторялись никаким образом.
Позднее эту странную часть ДНК назвали «регулярно сгруппированные, разделенные короткие палиндромные повторы» – Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats. В остальном работы над ними надолго остановились, хотя многие ученые заинтересовались загадочными участками хромосомы, а некоторые даже рассуждали об их роли. Функциональное значение CRISPR оставалось загадкой, да и особенных прорывов никто от них не ждал: «Биологическое значение этих последовательностей неясно», – написал тогда Исино с соавторами.
Однако во второй половине 1990-х начался настоящий бум секвенирования. Установить последовательность ДНК становилось все проще, и геномы все новых и новых организмов стали пополнять компьютерные базы данных и анализироваться со всех сторон. Таинственная – и вроде бы бессмысленная, совершенно не похожая ни на какой ген – последовательность CRISPR обнаруживалась у бактерий повсеместно. Нидерландский биолог Рууд Янсен заметил, что они всегда соседствуют с генами одних и тех же белков. Функции их тогда были тоже неизвестны, и их назвали просто «белками, ассоциированными с CRISPR» (CRISPR-Associated Proteins, Cas).
И лишь в 2005 году сразу три группы исследователей сообщили, что уникальные участки CRISPR – это фрагменты вирусных геномов. «Тут у меня что-то щелкнуло», – вспоминал впоследствии всемирно известный биоинформатик и эволюционист Евгений Кунин. К тому времени он уже несколько лет бился над загадкой CRISPR – и, наконец, его озарило: эта ДНК может быть частью противовирусной защиты бактериальной клетки.
Эта идея понравилась микробиологу Родольфу Баррангу, который в то время работал в компании Danisco, производящей йогурты. В этом бизнесе вирусная эпидемия среди молочнокислых бактерий способна принести серьезные убытки, и исследователь искал методы защиты от нее. Чтобы проверить гипотезу Кунина, он заразил стрептококков Streptococcus thermophilus двумя штаммами бактериофагов. Большинство бактерий погибло, однако выжившие оказались довольно устойчивы к этим вирусам. Секвенировав их ДНК, ученые подтвердили: в ней появились следы встречи.
Инструмент
Дженнифер Дудна и Блейк Виденхефт взялись за изучение структуры белков Cas: к этому моменту выяснилось, что они выполняют роль нуклеаз, то есть разрезают ДНК. Несмотря на все находки, значение открытия по-прежнему было неясным: «У вас нет никакой определенной практической цели, – объясняла Дудна работавшему в ее лаборатории Виденхефту. – Важно лишь понять, как это работает». Но по мере работы выяснились многие удивительные детали.
CRISPR – это, действительно, нечто вроде гербария, каталог, в котором бактериальная клетка сохраняет образцы, фрагменты геномов вирусов, с которыми доводилось сталкиваться ей или ее предкам. Пользоваться этим каталогом могут специальные белки, ассоциированные с CRISPR (CRISPR-Associated Proteins, Cas). Ориентируясь на эти образцы, они быстро распознают новые вирусные гены и разрезают их, выводя из строя.
Биолог Карл Циммер объясняет работу системы CRISPR/Cas так: «По мере того, как область CRISPR заполняется вирусной ДНК, она становится ключевой «галереей» в клетке, где представлены «портреты» микробов, с которыми бактерии доводилось встречаться. Впоследствии эта вирусная ДНК может использоваться для «наведения» точного орудия Cas-белков».
Для этого бактериальная клетка синтезирует на сохраненных фрагментах ДНК короткие образцы, молекулы РНК. Каждый из этих РНК-«гидов» (гРНК) связывается с белком Cas, способным разрезать ДНК, подходящую под этот образец. Эти комплексы постоянно патрулируют клетку, отслеживая появление любой ДНК и сопоставляя ее с гРНК. Если совпадение есть, двойная спираль ДНК тут же разрезается на части и инактивируется. «Как только мы осознали Cas в качестве программируемых, разрезающих ДНК ферментов, произошел интересный момент, – вспоминала впоследствии Дженнифер Дудна. – Мы воскликнули: «Боже, да это же может быть инструментом!»»
Сегодня определено целое семейство белков Cas, но наиболее изученным и освоенным оказался протеин Cas9, выделенный из бактерий Streptococcus pyogenes – возбудителей скарлатины. Именно он лег в основу новейшей методики генетической модификации живых организмов CRISPR/Cas9, методики, обещающей невиданный прорыв в биотехнологиях, сельском хозяйстве и медицине.
Модификация
В самом деле, белок Cas9 – это нуклеаза, то есть фермент, разрезающий ДНК. Для любого метода генетической модификации – удаления или добавления целевых активных генов в организм – эта способность играет ключевое значение. Чтобы копировать и вставлять, нужно вырезать, причем делать это в строго определенном месте. До сих пор с точностью у генетиков были проблемы.
Вспомним, что молекула ДНК – это, по молекулярным меркам, невероятно длинная цепочка, общая длина которой в каждой хромосоме каждой нашей клетки достигает порядка сантиметров. Разнообразием этот полимер не отличается, состоя всего из четырех разных звеньев: аденина (А), гуанина (Г), тимина (Т) и цитозина (Ц), которые повторяются миллионы и миллионы раз. Найти в этом однообразии именно нужный участок неимоверно сложно.
Долгое время в распоряжении генетиков имелись лишь системы с нуклеазами, которые распознавали короткие участки – например, четыре нуклеотида АТЦЦ или ТГЦА, – которых на протяжении цепочки могут встречаться десятки и сотни. В результате разрезы производились в случайном из этих мест, и лишь кропотливая работа позволяла отобрать клетки, в которых этот процесс прошел в нужном участке генома. В отличие от них, вооруженный гРНК белок Cas9 распознает фрагмент длиной с эту РНК – около 20 нуклеотидов. Такие участки уже, как правило, вовсе не повторяются в ДНК даже высших организмов.
Более того, сама структура комплекса Cas9 с гРНК определяет простоту работы с ней. Достаточно открыть в компьютере базу с ДНК нужного организма, найти фрагмент, который должен быть разрезан, и синтезировать молекулы гРНК с той же последовательностью оснований (и заменой тимина, роль которого в РНК играет урацил, У). Cas9 – нуклеазы неразборчивые и будут резать ДНК где угодно, лишь бы гРНК совпала.
В отличие от этого, системы генетической модификации предыдущих поколений требовали долгой работы по проектированию и синтезу ферментов-нуклеаз, способных распознавать определенные участки ДНК. Например, методы с использованием связывающихся с ДНК «цинковых пальцев» ZFN (Zinc Finger Nuclease) или белков TALEN (Transcription Activator-Like Effector Nucleases) теоретически позволяют работать с еще более длинными фрагментами ДНК. Однако для каждой конкретной задачи их приходится проектировать отдельно.
Наконец, CRISPR/Cas9 универсален по отношению к разным видам модифицируемых организмов. Метод прост и эффективен и, по крайней мере, теоретически с одинаковым успехом подходит для получения риса с повышенным содержанием витамина А или лосося, набирающего массу вдвое быстрее обычного, для внесения новых генов или замены дефектных у племенных лошадей и людей... Но прежде чем перейти к людям, давайте «потренируемся на кошках». А лучше – на мышах.
Мыши, люди и все-все-все
Представим, что нам требуется получить мышей-альбиносов, чтобы изучить, как влияет это состояние на здоровье разных систем организма у людей. Для этого следует «выключить» обе копии гена, связанного с синтезом пигмента меланина. Если мы привержены традиционным подходам к генетической модификации (кстати, по большей части тоже заимствованным у бактерий), то нам стоит запастись терпением.
Для начала нам следует синтезировать «ген альбиносости» и получить мышиные эмбрионы на самых первых этапах развития. Затем в их ядра через тончайшую полую стеклянную иглу внести новую ДНК. В делящихся клетках происходит рекомбинация – обмен гомологичными участками хромосом – так что, трижды сплюнув, будем надеяться, что она захватит и нужный нам фрагмент. Методом проб и ошибок, бесконечными повторами и отбраковыванием мы можем получить мышей, которые получили одну копию «гена альбиносости» и оказались способны передать ее потомству. Затем, скрещивая таких животных, рано или поздно мы добьемся рождения особей с заменой обеих копий. Можно выжидать, а лучше сразу переходить на CRISPR/Cas9.
Действительно, чтобы получить тех же мышей-альбиносов, достаточно найти пограничные участки нашего целевого гена и синтезировать для них гРНК, после чего ввести в эмбрион вместе с белками Cas9 и ДНК нового гена. Подхватив гРНК, нуклеазы Cas9 разрежут обе копии гена по краям, после чего в дело включатся клеточные системы репарации, ответственные за поддержание целостности генома.
Это чрезвычайно ответственная задача, поэтому белки репарации действуют быстро и даже грубо. Обнаружив повреждение ДНК – тем более такое опасное, как двухцепочечный разрез, – они готовы подхватить первый попавшийся кусок ДНК, буквально «затыкая» образовавшуюся брешь. Так что если в клетке окажется достаточно нужных нам фрагментов, в место, разрезанное белками Cas9, будут встроены они.
Недаром за прошедшее с момента открытия CRISPR/Cas9 генетическая модификация совершает прорыв за прорывом. Громкое заявление китайских биологов – тому лишь один из примеров. КНР остается страной с одним из самых мягких законодательств в области генной инженерии. Даже в Великобритании, где разрешены эксперименты по применению CRISPR/Cas9 на человеческих эмбрионах, получившихся химер требуется уничтожать в возрасте не старше 14 суток. В Китае дозволяется куда больше.
Такие работы невероятно перспективны: буквально в последние годы показано, что CRISPR/Cas9 позволяет редактировать гены даже во взрослом организме, очищая ДНК Т-лимфоцитов от заразившего их ВИЧ. А в том же Китае ученые (не слишком успешно) пытались получить эмбрионы, устойчивые к этой инфекции. Теперь же речь идет о борьбе с раком. Для этого медики планируют отредактировать ДНК тех же Т-лимфоцитов – точнее говоря, ген белка PD-1, который в норме держит их под контролем.
Активный ген PD-1 блокирует способность Т-лимфоцитов атаковать собственные клетки организма и предотвращает развитие аутоиммунных заболеваний. Однако в случае рака такая способность пришлась бы очень к месту, и ученые собираются, забрав клетки у реальных онкологических больных, изменить ген PD-1 с помощью CRISPR/Cas9 (теперь мы в общих чертах понимаем, как это можно сделать). Вернув в организм эти лимфоциты, авторы ожидают, что те начнут размножаться и атаковать опухоль.
Рак и ВИЧ – лишь пара громких примеров. Однако в будущем CRISPR/Cas9 и генетическая модификация позволят избавиться от множества других болезней. Тем более что множество тяжелейших состояний связаны с нарушением в работе всего одного гена: их, видимо, исправить будет куда проще, чем вылечить тот же рак. В отличие от них, доброта и ум, красота или спортивные способности – продукт работы массы разных генов, воспитания и других факторов среды. Так что CRISPR/Cas9 принесет лишь пользу, а использовать ее во вред вряд ли получится. Разве что просто попугать.
Источник
Последние аномальные новости

Более 740 млн людей на Земле страдают от звона в ушах

Женщина родила сразу две пары близнецов

Жители Нью-Йорка пожалуюстся на нашествие крыс

Из рыбьей чешуи начнут производить телевизоры

Инопланетные вирусы - реальны ли они

Интересные факты о затонувшем городе львов

Китай начинают заполнять роботакси

Космические силы США привлекли робособак к патрулированию

Марсиане поломали марсоход Perseverance

Механик и инопланетный материнский корабль

Мифы и легенды Нижнего Тагила - 1

Нашли изображение мифического героя Актеона

Новые головы ольмеков нашли в Мексике

Под лапой Большого Сфинкса хранятся тайны потерянной цивилизации

Семья получила послание от умершего сына

Сохранять легкие вне тела научились до восьми часов

Странное похищение инопланетянами в Англии

Учёные считают, что они разгадали тайну лох-несского чудовища

Что скрывается за теориями заговора

Что, если инопланетяне действительно из другого времени

Боги, инопланетяне и религия. От древней Атлантиды до наших дней

Гигантский джет над Оклахомой достиг космоса

До выращивания человеческих органов далеко

Добыча металлов на Марсе

ИИ помогает обнаруживать новые космические аномалии

Миссии к Юпитеру могут помочь в поисках темной материи

Моделирование бесконечного множества хаотических частиц

Мэрилин Монро и другие загадочные смерти

Найдены загадочные клетки, которые создают стволовые клетки крови у млекопитающих

Наш мозг запрограммирован на то, чтобы продолжать хотеть большего

Наша фундаментальная модель Вселенной неверна

Никаких следов ореолов темной материи не найдено

НЛО пролетел над аэропортом Эль-Пасо

Пентагон открывает отдел по изучению НЛО

Первый в мире синтетический эмбрион

Подозрительные смерти в мире уфологии

Продолжительность земных дней загадочным образом увеличивается

Рассказ об огромном НЛО в море и замке СС

Тайна великого метеоритного дождя 1913 года

У Вселенной не должно быть ни начала ни конца

Был ли запретный плод в Эдемском саду яблоком

Венок на голове, магия и тайный смысл

Вещи, которые не стоит дарить своему парню

Волосы в сновидении, что они означают

Всё о банной магии и ритуалах

Голограмму человека впервые телепортировали в другую страну

Допустили существование планет из темной материи

Если мужчина увлёкся мистикой

Знаки Дьявола на ладони

Как защититься от энергетических вампиров

Как подобрать цветок по знаку Зодиака

Кислород влиял на эволюцию жизни на Земле до появления фотосинтеза

Кольцо, как сделать из него сильный оберег

Мозг человека не уменьшался

Осеннее равноденствие. Договор между светом и тьмой

Осеннее равноденствие. Ритуалы и обряды

Суд США подтвердил невозможность считать ИИ автором изобретений

Существует вероятность нашествия зомби

Ученые считают, что на Землю упал межзвездный объект

Фейк про изучение мистики спецслужбами СССР

Бигфут выгнал охотников из леса в Южной Каролине

Вещий сон принес женщине крупный выигрыш

Газовые гиганты превращаются в сверхземли

Земля стала вращаться быстрее и никто не знает почему

Искусственное мясо ни кому не нужно

Как не убить колонизаторов Марса

Канал History. Пришельцы, монстрология и поиски золота

Кошка стала поводырем для ослепшей собаки

Легендарного идола хотят назвать 'Шигиром из Екатеринбурга'

Мужчина выбросил биткоины и решил обратиться к роботам-собакам

Невероятное о зеркалах

После смерти мы остаемся в сознании от 2 до 20 секунд

Почему люди верят предсказаниям

Призраки, демоны, зомби-свиньи и грань между живым и мертвым

Пять главных открытий марсохода Curiosity

Рыбак поймал рыбу ростом с человека

Самые опасные существа в мире паранормальных явлений

Создание боевых вирусов против наций назвали невозможным

Странный взрыв НЛО над Невадой

США причастны к заражению Уго Чавеса раком и созданию ковида

Астрономические данные и поиск обитаемых миров

Белый диск замечен над Бразилией

Во что верят Раэлиты

Геоглифы Торгая нуждаются в изучении

Десятки НЛО пролетели мимо МКС

Джек Осборн отправляется на охоту за НЛО

Дрон поймал призрачный высокоскоростной НЛО

Женщина отращивала ногти 25 лет

Интерес к чёрным вертолётам межет погубить

Искусственный интеллект позволяет создавать новые белки

Межзвездный метеорит хотят поднять со дна океана

Метеориты проливают свет на происхождение летучих элементов Земли

НАСА ввязалось в гонку за НЛО

Обнаружена точка в мире, где чаще всего регистрируют НЛО

Обнаружили считавшийся исчезнувшим цветок магнолии

Пензенец на ГПЗ увидел НЛО

Работу органов свиней восстановили через час после смерти

Сиамских близнецов разделили с помощью виртуальной реальности

Смерть Мэрилин Монро. 60 лет тайн, интриг и заговоров

Яркий НЛО замечен над Колорадо

АНБ и конференция МУФОН 1978 года

Гадание на будущего мужчину на разбросанных вещах

Гипноз помог женщине справиться с зависимостью от газировки

Жители Пскова удивлены светящимся объектом в небе

Загадка Рендлшема и эксперимент с сознанием

Золотой город Эльдорадо - где находилась мифическая страна

Как гадать на будущее по магазинным ценам

Как по дате рождения узнать всё о прошлой жизни

Мессинг предупреждал об угрозе начала третьей мировой на востоке

Много таинственного скрывает Керченский полуостров

Николай Козырев. Энергия времени и Луна

Разработка моделей ИИ на основе активности человеческого мозга

Редкий белый слон родился в Мьянме

Рептилоиды, существуют ли они на самом деле

Связь между криптозоологией тайными обществами

Сто интересных фактов обо всем на свете

Таинственный металлический шар упал на Веракрус

Три коровы на Аляске погибли загадочным образом

Чумные призраки

Шоу Битва экстрасенсов является правдивым

Цепная ручная таль. Области использования и особенности строения

Бигфут замечен на ферме в Теннесси

Британцам перестанут показывать срок годности еды

Брэд Стайгер. НЛО, паранормальные явления и многое другое

В моем доме живут призраки

Ведущий 'Необъяснимо, но факт' рассказал о своей жизни

Вой бигфута записали в Лаудонвилле

Впервые измерили состояние связи света и материи

Зафиксирован самый короткий день на Земле

Камень Чинтамани, Агарти и Шамбала

Летающий автомобиль, напоминающий Ferrari

Лунный календарь на сентябрь 2022 года

Материнский корабль инопланетян замечен около Юпитера

Монстры гор. Дикари и мохнатые существа

Найдена увеличивающая продолжительность жизни молекула

Невероятные изобретения и достижения древних Майя

Несси и плезиозавы, которые никогда не жили в Лох-Нессе

Новые доказательства возникновения жизни из простых молекул

По следу адам-киика

Почему некоторые метеоры ярко-зеленые

Предсказание индийского пророка

Прогноз по картам Таро на сентябрь 2022 года

Скоро покойник поделится секретами загробной жизни

Солнце вращается вокруг Земли, а люди жили рядом с динозаврами

Составили карту распределения темной материи

Суперземля Ross 508b находится в обитаемой зоне красного карлика

Удивительная карта плотности населения в США

Формула для идеального ночного сна

Фэн-шуй прогноз на сентябрь 2022 года

Энцелад признан пригодной для жизни

Якутское чудовище и молебский треугольник

Выдвинули новую версию о линиях на плато Наска

Когда звезды поедают свои планеты

Контакты африканского племени Догонов с пришельцами

Красные огни заметили над Калифорнией

Неисправности и неопознанные объекты

Несколько странных радиоисточников в отдаленном скоплении галактик

Охотник на Несси уже 31 год живет на берегу озера

Планете Х негде спрятаться

Правительственные проекты по исследованию сверхъестественного

Представлен первый прототип аэротакси с вертикальными взлётом

Пролеты звезд оставляют неизгладимый след во вновь формирующихся планетных системах

Создали бумажную батарейку, которая активируется каплей воды

Стоунхендж может быть древним солнечным календарем

Тайны некоторых атмосферных явлений остаются необъяснимыми

Теория заговора о том, что марсоходы ездят по острову Девон

Хозяин паба, что в его заведении обитает призрак

Церера до сих пор проявляет геологическую активность

Человечество на пороге открытия жизни на Марсе

Чупакабра атаковала деревни на Вологодчине

Чупакабру убили в Башкирии

Полное руководство по ремонту вашей квартиры

Британский доктор снял странные НЛО

Вырастили растения на астероидном грунте

Загадочное писающее дерево Тайваня

Леденящее кровь исчезновение ядерной бомбы Тайби-Айленда

Набережную Ялты оккупировали гадалки

Наблюдение НЛО детьми с учителем в Уэльсе

Нашли ранее неизвестные структуры внутри метеорита

Отыскали четыре пропущенные загадочные сигналы

Охотник за привидениями показал сахалинцам мистическое здание

Пирамида Хеопса состоит из трёх пирамид

Предвыборные теории заговора охватили сообщество Невады

Пятое доказательство тройственности пирамиды Хеопса

Секретная космическая программа США

Синий цвет от экранов телефонов и компьютеров сокращает жизнь

Подписка на новости
Наверх
Яндекс.Метрика