CRISPR, дитя современной биологии, растет не по дням, а по часам. Он вырос из непонятной части бактериальной защитной иммунной системы в инструмент для лечения генетических заболеваний, улучшения микроорганизмов, улучшения производства пищи и уничтожения вредителей.
С тех пор, как ученые приняли на вооружение этот инструмент для редактирования генов и начали использовать его на клетках млекопитающих, CRISPR был забаррикадирован за клеточными мембранами. Технология редактирования генов творит свою магию, отсекая кусочки неисправной ДНК и вставляя здоровую замену. Все эти действия по вырезанию и вставке сегментов проходили в живых клетках. До сих пор.
На прошлой неделе в журнале The CRISPR Journal было опубликовано исследование, наконец-то освободившее CRISPR от его клеточной тюрьмы. Заменив компоненту «ножниц» CRISPR альтернативной версией, ученые из Института редактирования генов в Делавере разработали новую систему CRISPR, которая может резать свободно плавающую ДНК в пробирке.
Для помощи в проведении реакций пробирка заполняется клеточными экстрактами: набором ферментов и других биомолекул, необходимых для работы CRISPR.
В чем же прорыв?
Диагностическое чудо
Заставить CRISPR работать за пределами клетки может показаться странной академической задачей, но при разработке системы ученые держали в уме две определенные цели.
Во-первых, этот инструмент позволяет ученым одновременно делать несколько генетических врезок, в то время как предыдущие версии были ограничены редактированием ДНК в пределах одного гена. Это отличные новости для персонализированной медицины, особенно диагностики рака; многие виды рака имеют мутации в нескольких местах, которые отвечают на разное лечение по-разному.
Перед началом лечения врачи часто отправляют биопсийный образец опухоли пациента на секвенирование ДНК. Этот важный шаг помогает выявить множество генетических мутаций, приводящих к росту или распространению конкретной опухоли.
С помощью нового инструмента ученые могут точно имитировать эти мутации в синтетических фрагментах ДНК в пробирке, по сути воссоздавая рак в безопасной, контролируемой среде. Это дает ученым доступ к биологическим путям, затронутым мутациями, и может помочь в создании персонализированной стратегии лечения.
Что еще более впечатляет, такого рода диагностику можно провести всего за один день. «Это особенно важно для диагностики, связанной с раком, когда счет идет на минуты или часы», говорит автор исследования доктор Эрик Кмиец.
Кмиец не первым увидел в CRISPR инструмент диагностики. О том, что помимо генной терапии CRISPR может мощно показать себя в диагностике, было понятно давно. Ранее мы писали о том, что две группы ученых представили тесты DETECTR и SHERLOCK, которые эффективно охотятся на вирусы Зика, денге или опасные штаммы ВПЧ, которые приводят к раку шейки матки.
Кмиец утверждает, что его изобретение требует «значительно» меньше времени, чтобы подтвердить рак вне тела, в основном из-за способности вносить несколько редакций одновременно.
Осознав потенциал и рентабельность CRISPR как диагностического инструмента, Кмиец и его коллеги уже ищут коммерческого партнера для разработки технологи «CRISPR-на-чипе» для диагностики рака.
Если отложить в сторону непосредственные приложения, команда ученых также надеется расширить терапевтические возможности CRISPR до гораздо более широкого набора заболеваний человека. Существующие инструменты CRISPR идеально подходят для лечения болезней, вызванных мутациями в одном гене, таких как серповидноклеточная анемия или болезнь Хантингтона. Но поскольку работа Кмиеца нацелена на несколько генов одновременно, она может потенциально привести к лечению болезней с более сложным генетическим происхождением — множественных мутаций во множестве генов — если эти мутации хорошо охарактеризованы.
Сквозь линзу
Изоляция CRISPR в пробирке имеет и другой плюс: она позволяет ученым четко понять, что происходит до, во время и после редактирования. И поскольку клинические испытания CRISPR активно продвигаются, важно понимать, как сделать технологию более точной и эффективной.
CRISPR уже многого добился, но неудобная правда заключается в том, что ученые пока не совсем уверены, как инструмент работает, попадая в клетку. Как инструменты взаимодействуют с другими биокомпонентами в клетке? Он отсекает только целевую ДНК или же его ножницы могут пойти вразнос в определенных обстоятельствах?
«Когда вы работаете с CRISPR внутри клетки, вы работаете в черном ящике, в котором не можете наблюдать за механизмами, которые делают эти потрясающие вещи», говорит Кмиец. «Вы можете видеть результаты, то есть изменения генов, но как вы к этому пришли — не обязательно, а это важно для того, чтобы убедиться в безопасности CRISPR для лечения пациентов».
Ограничивая CRISPR серией биохимических реакций в тестовой пробирке, ученые предлагают способ рассмотреть сложные молекулярные взаимодействия, которые проходят во время разреза ДНК, замены генов и других процессов. Подход — исключительно редукционистский. Но он позволяет бесклеточной системе работать подобно Arduino, экспериментировать с возможностями CRISPR и создавать новые биологические инструменты, которые и представить трудно.
Подмена
Институт редактирования генов практически сразу столкнулся с проблемой, разрабатывая свою бесклеточную систему.
Проблемным ребенком оказался Cas9, ножничный белок, который используется в системах CRISPR. Когда ученые замешали его с плазмидной ДНК — типом циркулярной ДНК, которую ученые часто используют для доставки генов в клетки — в пробирке, белок был абсолютно неактивен.
Выяснилось, что Cas9 нужно заменить на Cpf1 (он же Cas12a), другой член растущей библиотеки Cas-белков. Впервые открытый в 2015 году, Cpf1 уже доказал свою пользу в создании трансгенных мышей и корректировке мутации, вызывающей мышечную дистрофию. Не так давно Cpf1 использовался в системе DETECTR для борьбы с вирусами, вызывающими рак. У этого белка светлое будущее: компания Editas, редактирующая гены, лицензировала его для дальнейшей разработки в 2016 году.
Обмен сработал. Система CRISPR-Cpf1 пришла в действие в тестовой пробирке. В ходе нескольких экспериментов ученые доказали, что свободная от клетки система может повторить большинство редакций, которые CRISPR вносит внутри клетки. Что примечательно, ножницы сработали немного не так, как у Cas9. Когда Cas9 делает разрез, он оставляет сверхгладкие «обрубленные концы» на разрезанной ДНК. Это затрудняет ввод новых кусочков генетического материала. Поскольку концы очень гладкие, инструментарий требует точного выравнивания заменяющего блока ДНК, чтобы он скользнул на место.
И напротив, Cpf1 оставляет «липкие» концы. Эти кусочки ДНК выступают как плечи, словно скотч поддерживающие захват заменяющей ДНК. Возможно, именно поэтому Cpf1 работает лучше, чем Cas9, в пробирке, но это еще предстоит проверить.
Система Кмиеца — лишь один из примеров того, как далеко продвинулся CRISPR. Поскольку CRISPR продолжает расти, его разработчики обещают нам много нового, чего мы даже и представить не можем.
Автор: Илья Хель