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

Билл Гейтс предупредил о потенциальных пандемиях

Был ли великан Гильгамеш нефилимом

Видео, которое обрадует каждого антиваксера

Встречи с потомком древних инопланетян

Дополнительная планета появилась в небе

Илон Маск на пороге испытаний мозговых имплантатов на людях

Как встретить год Тигра по китайскому календарю

Как правильно встретить именины Домового 10 февраля

Китай представил четвероногого военного робота

Китай приступил к созданию спутниковой 5G-сети

Колдун и ведьма дали страшное предсказание

Миллиардер нанял ведущего ученого для разработки технологии бессмертия

НЛО заметили в поселке Бельбулак

Оператор справился с роем из более ста роботов

Пандемия на время закончилась. Время Второго всадника Апокалипсиса

Первая космическая киностудия появится на орбите Земли

Почему необходимо срочно лететь к Нептуну

Предлагают догнать и изучить загадочный межзвездный объект

Признаки начала глобального продовольственного дефицита

Прогноз по картам Таро на февраль 2022 года

Россиян защитят от дискриминации искусственным интеллектом

Сеанс прямого видения на ближайшие перспективы

Сноуден резко осудил исследования о гаванском синдроме

Таинственное фиолетовое покрытие на камнях Марса

Финансовый календарь денежных дел на февраль 2022 года

Фэн-шуй прогноз на февраль 2022 года

Цвет как благоприятный магический символ в 2022 году

ЦРУ нашло объяснения возникновения гаванского синдрома

Человеку впервые пересадили две свиные почки

Ядерные силы США выдвигаются на позиции для атаки

Фильм Невероятный Халк 2008 года, в чем его суть

Школьники Островецкого района получают награды

Актриса общается с умершим отцом через фото

Билл Гейтс предрек миру пандемии страшнее коронавируса

Вещи защищающие дом от Зла

Власти распорядились убить 2000 домашних хомячков в Гонконге

Дом с привидениями позволяет получить интересные сведения

Женщина родила пять пар близнецов

Илон Маск пообещал не допустить восстания машин

Корова родила теленка с двумя головами и четырьмя глазами

Круги в небе заметили на границе Курской области

Легенда о склепе русской баронессы-вампирши

Магазин одежды Amazon будет обслуживать ИИ

Мир находится на пороге эпидемии близорукости

Моменты из Американской истории ужасов, основанные на реальных событиях

Новые данные о появлении жизни на Земле

Обнаружена черная дыра, создающая звезды

Описаны преимущества 6G

Передовые ИИ демонстрируют депрессию и психические расстройства

Планета монстров. На Земле рождаются мутанты

Проезд в метро можно будет оплатить жезлом Сейлор Мун

Проклятый колодец в Англии превращает всё в камень

Ребенок с четырьмя руками и ногами родился в Индии

Рептилоидная раса из астрала

Самые странные традиции казахов

Снежного человека увидели в Кабардино-Балкарии

Таинственное Беловодье в новом фильме

Три теории параллельных Вселенных

Химтрейлы. Теория заговора оказалась правдой

Человеческие волосы вырастили на мышах

Что известно о секретном проекте США Лунная пыль

Шокирующие предсказания Нострадамуса

Базу инопланетян нашли на Марсе

Водителя автобуса отстранили от работы из-за роста

Волна странных отключений электроэнергии

Воронеж мистический попал в Очевидное – невероятное

Диетолог посоветовала перестать худеть

Долгожительница раскрыла три секрета долголетия

Злоумышленники украли дорогу в Германии

Извержение вулкана Тонга создало загадочные пульсации

Ковры улучшают качество воздуха

Красные НЛО как-то зачастили

Кувейт становится непригодным для жизни

Люди – это еда для монстра-телепата с Нептуна

Марсоход обнаружил необычную смесь химических элементов

Московские камеры видеонаблюдения будет контролировать ИИ

Мужчина обнаружил светящиеся камни привлекающие НЛО

Мужчина попытался вылечить импотенцию монтажной пеной

Настоящие астероиды падают Вдруг

Операторы связи организуют свободные от 5G буферные зоны

Освященная вода не отличается от обычной

Открыт астероид, который может столкнуться с Землей

Пилот узрел трансформацию НЛО над Техасом

Плохое мистическое событие в Киеве

Роботы отберут у европейцев около 12 млн рабочих мест

Скупив всю еду Китай создает кошмарные запасы угля

Спутник НАСА увидел возле Солнца НЛО

У НАСА кончаются астронавты

Умер самый старый мужчина

Холодный незамерзающий океан был на Марсе

Шведское агентство безопасности объявило о росте числа НЛО

Ясновидящие волхвы обещают какие-то страшные глубокие рвы

Предложения компании «Арт Строй Дизайн». Строительство современных гаражей в сжатые сроки

Видеоигры оказались вдруг полезными

Где в Йошкар-Оле живут привидения

Долгое пребывание в космосе разрушает клетки крови

Древние космические боги и рождение человека

Загадка инопланетянина по имени Вриллон

Заключенные обвинили руководство в медицинских экспериментах

Инопланетяне могут уничтожить человечество с помощью кода

Клык чупакабры продают в Воронеже

Легенда о томском Граале

Модель Playboy сделала 53 пластические операции

Может ли путешествие во времени быть природным феноменом

Мужчина угадал все числа в лотерее, но не получил выигрыш

Наша Вселенная родилась в лаборатории

Парень годами страдал от кашля из-за постельного белья

Погодные аномалии становятся нормой

Посланник богов в легендах хопи

Почему нельзя засыпать под телевизор

Развертывание 5G вызвало проблемы с авиалайнерами в США

Романы с призраками и пришельцами

Рыбак побил державшийся 45 лет рекорд

Сайт госуслуг интегрируют с государственной биометрической системой

Связь устройства Осириса и корабля Гора

Сова провела мужчину через метель

Таинственные золотые шары под мексиканской пирамидой

Теория Тунисской Атлантиды

Уральские ученые отредактировали гены коровы

Черепа Паракаса принадлежат неизвестной расе

Черный НЛО пролетел около самолета

Что погубило группу Дятлова

Шаровая молния - настолько странное явление

Американская летающая тарелка поднялась в небо

Гигантский ледяной диск появился в реке Мэн

Доказательство сбывающемуся пророчеству Нострадамуса

Жители деревни Фак захотели переименовать ее

Загадочные убийства крупного рогатого скота в Аргентине

Загадочный лабиринт обнаружен на Титане

Зеркальные даты исполнения желаний в феврале

Как гадать на Сретение на суженного

Лунный календарь на февраль 2022 года

Маленький город в Японии стал мировым центром НЛО

Необъяснимый радиосигнал из центра Млечного Пути

Певица заметила зеленый НЛО в ночном небе Британии

Прожившие вместе 81 год муж и жена поделились секретом

Пронаблюдали смену сезонов на экзопланете

Сретение - приметы, обряды и заговоры на Громницу

Сторонники QAnon посчитали, что вместо Трампа на митинге выступил Кеннеди

Талисманы февраля из колоды карт Таро

Таролог Виктория Райдос пообещала поделиться секретами

Торчащую из песка голову юного Ильича нашли на Марсе

Хогвартс-Экспресс отправился в первый рейс до Бердска

Армия США вскоре получит мобильную установку с лазером

Женщина рассказала о жизни с волосами до колен

Инопланетную базу обнаружили на снимках Антарктики

Климатолог предсказал глобальную катастрофу

Кот два месяца не уходил с могилы хозяина

Мистические истории произошедшие ночью

Началось шестое массовое вымирание

Небоскребы превратят в солнечные фермы

Невакцинированные являются плацдармом эволюции ковида

НЛО заметили над Сантьяго

НЛО собрались в стаю во время запуска телескопа Джеймс Уэбб

Объяснена магнитная загадка Луны

Околосмертный опыт. Женщина увидела толпу на огромном стадионе

Очевидец заснял над США целый флот НЛО

Пара колоссальных сфинксов обнаружена в Египте

Странное явление в небе Новокузнецка

Странный обьект пролетел вблизи молодой двойной системы

США предупредили о риске развала страны

Удлиненный череп с имплантированным куском металла

Экстрасенс предупредил обладателей пяти мужских имен

Микрокредиты онлайн в Казахстане

В атмосфере экзопланеты обнаружили водяной пар

Ванга предрекла великое объединение двух стран

Внеземная цивилизация ответственна за возникновение жизни на Земле

Вожди инопланетян прибыли на Землю

Группы антиваксеров превращаются в отряды ополчения

Загадочная болезнь собак вызывает тревогу в Великобритании

Катящиеся по склону валуны обнаружили на Марсе

Китайцам 70 дней крутил новости ИИ, но никто этого не заметил

Наблюдения НЛО в штате Юта

Нострадамус предрек жуткий хаос и Третью мировую войну

Обнаружена гигантская экзопланета, спрятанная у всех на виду

Послание греческого старца Геокена

Почему никто не смог покорить вершину горы Канкар-Пунсум

Пророк Вильегас предрек миру ядерную войну

Сложности поисков Планеты X

Сотни мертвых птиц устилают дороги Кентукки

Странные металлы прольют свет на то, как устроен мир

Телеканал History анонсировал январские премьеры

Человечеству предрекли скорую смерть от голода

Экзопланеты, лучше всего защищающие жизнь

Власти Квебека введут налог на антиваксеров

Власти получили иск за воображаемый план по спасению планеты

Подписка на новости
Наверх
Рейтинг@Mail.ru Яндекс.Метрика