Ученые из Университета Сунь Ятсена в Гуанджоу впервые в мире направленно модифицировали геном человеческих эмбрионов с помощью техники CRISPR/Cas9.
Эффективность и избирательность процедуры оказалась гораздо ниже, чем в уже исследованных животных моделях и в культуре клеток человека. Модификация эмбрионов и половой линии человека запрещена в США и большинстве стран Европы. Ученым не удалось опубликовать результаты своей работы ни в Nature, ни в Science, их статья появилась в журнале Protein & Cell. Кратко об этом пишет редакция сайта Nature.
Исследователи, по их словам, работали с «нежизнеспособными» зиготами, которые не могут развиться в плод. В ходе эксперимента в оплодотворенные клетки (на стадии трех пронуклеусов) инъецировали фермент и генетическую конструкцию, которые должны были заменить один из собственных генов эмбриона на его инъецированную копию. В качестве целевого ученые выбрали ген бета-цепи глобина (части гемоглобина), мутации в котором вызывают множество генетических заболеваний, например талассемию. Потенциально, в результате такой замены, если она проходит эффективно и селективно (то есть не затрагивает другие участки ДНК), можно полностью вылечить это генетическое заболевание.Всего ученые инъецировали 86 зигот, из которых 71 выжила после процедуры, и 54 было отобрано на исследование. Эти клетки были отсеквенированы. Оказалось, что в 28 из них фермент Cas9, который должен был произвести надрез (двунитевой разрыв) в ДНК, справился со своей задачей. Однако только в четырех клетках инъецированная рабочая копия гена заменила исходную. Кроме того, ученые обнаружили множество потенциально опасных следов разрыв, которые фермент Cas9 внес вне гена бета-глобина. Учитывая, что в ходе анализа результатов авторы секвенировали не весь геном, а только экзом модифицированных эмбрионов, таких «промахов» может быть гораздо больше, чем увидели ученые: экзом – совокупность работающих генов, а полный геном содержит во много раз большие по совокупной длине межгенные участки.
По словам лидера научной группы, ученые разочарованы низкой эффективностью и неселективностью метода: «Если вы хотиде делать это [генетическую модификацию] на нормальных эмбрионах, вам нужна эффективность, близкая к 100 процентам. Вот почему мы остановились. Нам кажется, эта технология пока слишком сырая».
Возможность применения технологии CRISPR/Cas для модификации половой линии человека в последнее время активно обсуждается в научном сообществе. Так, в недавнем выпуске Nature трое специалистов по модификации ДНК эукариот (в том числе Федор Урнов, один из изобретателей альтернативной технологии направленных нуклеаз ZFN) призывали не применять технологию CRISPR/Cas9 в работах на людях из-за непредсказуемости последствий на данном этапе развития метода.
Система CRISPR/Cas9 была открыта в геноме бактерий, где она выполняет роль антивирусной защиты. Принцип ее действия во многом аналогичен РНК-интерференции у эукариот: потенциально вирусные последовательности распознаются специальными ферментами и уничтожаются. Если в РНК-интерференции процесс запускает обнаружение в клетке двуцепочечной РНК, то в системе CRISPR/Cas9 потенциально опасные последовательности сравниваются с шаблонами, хранящимися в особых кассетах в геноме. Распознает эти последовательности нуклеаза Cas9, которую направляют транскрибированные из кассет РНК. Впервые обнаружить эти кассеты в геноме бактерий (но не объяснить их функцию) удалось в 1987 году группе Ишино, значительно позже Евгений Кунин с коллегами нашли ассоциированные с кассетами CRISPR гены Cas, в том числе нуклеазу Cas9.
За последние годы система CRISPR/Cas9 стала крайне популярной методикой модификации генома у модельных организмов. Кроме того, ее модификацию использовали для создания крайне эффективного способа распространения нужных мутаций в популяциях паразитов. Авторы методики предлагали использовать это для биологического контроля передаваемых паразитами заболеваний, например малярии. Однако многие ученые считают, что пока эта технология очень опасна с точки зрения экологии.