Молекулярні ножиці, здатні вирізати шматки генів з клітин: пояснюємо Нобеля 2020 з хімії

Звучить як фантастика. Вдумайтесь: людство дійшло до етапу, коли змогло винайти зручний інструмент для редагування "поламаних" генів. Це відкриває небачені горизонти і дає шанс на лікування раку, спадкових генетичних хвороб і не лише. 

І саме за це – "розробку методу редагування геному" – цьогоріч вручили Нобелівську премію з хімії Еммануель Шарпентьє та Дженніфер Дудні.

"Генетичні ножиці CRISPR / Cas9 здатні розпізнати ДНК від вірусів, але Еммануель Шарпентьє та Дженніфер Дудна – нагороджені цьогоріч – довели, що ними можна керувати, щоб вони могли вирізати будь-яку молекулу ДНК на заздалегідь визначеному місці", – каже офіційний твіттер Нобелівської премії. 

Про фантастику, яка стала реальністю завдяки кропіткій роботі науковців, LIGA.Life розпитала Оксану Півень, докторку біологічних наук та генетикиню, яка в Україні працює з системою CRISPR.

І в бактерій є свій імунітет

Якось вчені досліджували геном кишкової палички і знайшли дуже незрозумілі на той час генетичні структури – касети з коротких послідовностей (спейсерів), що розділилися паліндромними повторами у геномі бактерій.

Науковці не розуміли його значення (паліндроми – ті, що однаково читаються і справа наліво і зліва направо). Японські вчені зробили про це наукову публікацію, й про знахідку на якийсь час забули. 

Набагато пізніше група біоінформатиків під керівництвом поважного вченого Євгена Куніна зробили припущення, що ці елементи важливі для захисту бактерій від вірусів. 

Адже у людей є свої віруси, а в бактерій – свої. І кожен захищається по-різному. Бактерії хоч і одноклітинні організми, але їм теж треба захищатися від вірусів – фагів, тобто пожирачів бактерій. 

У бактерій є своя імунна система. Хто міг про це подумати 10 років тому? А тепер ми знаємо, як вона працює. Це колосальний результат еволюції і дуже важливо для загального розуміння фундаментальних засад біології та всього живого. 

Як з’явилися молекулярні ножиці

Дуже багато вчених працювали, аби з’ясувати, чим є CRISPR-система і як вона працює. 

Спочатку науковці дослідили перший тип цієї системи. Він працює так: є кілька білків, які збираються разом, і каскад комплекс, що активує ці білки. Разом вони зустрічають вірусну нуклеїнову кислоту і шматують її як шредер папір. 

Минув час, і дослідники з’ясували, що є ще другий тип. Один з його представників – CRISPR-CAS 9. Він був досліджений набагато гірше. І цьогорічна лауреатка Емманюель Шарпантьє якраз працювала з ним. 

Вчена виділила певні елементи цієї системи, власне РНК, але не мала необхідного інструментарію, щоб глибше досліджувати цю систему. Тож запропонувала співпрацю Дженніфер Дудні.

Науковиці взялися з’ясувати, який елемент у системі за що відповідає і як система знищує вірусну ДНК, коли та потрапляє в бактеріальну клітину. Вони застосували технології, які були доступні й відпрацьовані в лабораторії Дудни. 

І у 2012 році показали, як працює система, яку ми тепер називаємо молекулярними ножицями. Більше того, змогли адаптувати її до досить таки простого використання. Фактично приручили!

Як працюють молекулярні ножиці

Спробуйте уявити, що наука здатна зробити з нашим тілом. 

CRISPR-Cas9 складається з великого білка, який має свої молекулярні ножиці. Цей білок огортає ДНК, розплітає її ланцюжок так, що утворюється петля з однолонцюгових ДНК.

А потім розрізає ці одноланцюгові молекули. Візуально це можна уявити як двоє щипчиків, які розташовані один напроти одного, руйнують певні хімічні зв’язки в молекулі ДНК так, щоб ниточки розвалилися і утворився розрив ДНК.

Підписуйтесь на LIGA.Life в Facebook: тільки корисна інформація для український родин

Навігатором цього білка є спеціальна направляюча РНК. Вона вказує, де ножиці мають різати і скеровує білок у це місце геному.

Клітина ж у цей час "думає", що їй загрожує небезпека і розриви треба терміново залатати. Часто клітина латає ДНК в режимі авралу. Адже якщо буде багато таких пошкоджень, вона помре, увімкнувши механізм самознищення. 

Найчастіше клітина відновлює розриви ДНК з помилками, і це призводить до нокауту гену – коли ген є, але неактивний. І це класний інструмент для вивчення функцій гену: ми можемо вимикати його і вмикати відносно легко і дешево порівняно з іншими, старішими технологіями і дивитися, а наскільки цей ген важливий. 

Цю ж технологію можна використовувати для вбудовування потрібної нам інформації. Якщо примусимо клітину використовувати потрібні нам шаблони для ремонту розривів ДНК, можемо скоригувати мутацію з кількох літер генетичного коду. 

Що це означає?

Завдяки цій системі за одну маніпуляцію можемо відредагувати одразу кілька генів.

І саме цьогорічні Нобелівські лауреатки встановили функцію і складники цього комплексу й запропонували роль РНК у цьому комплексі.

Показали, що з двох "пазликів" направляючої РНК можна самим синтезувати одну, і зробити штучну РНК, щоб керувати процесом і програмувати систему CRISPR різати ДНК там, де потрібно нам. 

Цю систему недарма часто порівнюють з армійським ножем-мультитулом, який можна використовувати на всі випадки життя. Інструмент, який дали нам лауреатки, дозволяє регулювати долю клітин.

Для цього на грунті мутованих білків Cas9 – таких, що втратили свої молекулярні ножиці – створили цілу низку генетичних інструментів.

Наприклад, маємо інструменти, щоб увімкнути чи вимкнути якісь гени, щоб вони з фібробластів стали стовбуровими клітинами чи нейронами.

Це дає великі можливості у біології та медицині.

Від лабораторії до застосування в медицині

Лауреатки працювали з цією системою у пробірці, не у культурі клітин. Далі підключилися інші вчені. 

У 2012 ці дві дослідниці показали, що ми можемо приручити цю систему і перепрограмувати її так, як нам потрібно. У 2013-му вже Джордж Чардж і Чанг Фенг паралельно публікують, що це можна робити в живих клітинах.

І впродовж наступного року посипався град робіт, які показували, що це можливо робити в усіх типах клітинах. 

Можна модифікувати рослини, покращуючи їх, можна з раковими клітинами боротися, зі спадковими захворюваннями, почали створювати альтернативні інструменти. 

Це відкрило двері до застосування системи і для наукових цілей, і для медицини.

Підписуйтесь на LIGA.Life в Instagram: тільки корисна інформація для український родин

У Китаї цілі інститути працюють з CRISPR-системами. Там модифікувати і тваринні і рослинні організми. 

Буває, для терапевтичної цілі достатньо вимкнути один ген. Але таких випадків мало. 

Для цього разом з системою CRISPR у клітину вводять і короткі ДНК-матриці, що несуть потрібну нам генетичну інформацію. Так ми можемо замінити генетичну інформацію (частину гену) на потрібну. 

Ми уже можемо редагувати гени, не вносячи зміни в структуру ДНК. Це стає суттєво безпечнішим для пацієнта.

На сьогодні вже проходять багато преклінічних випробувань терапії генетичних захворювань із застосуванням молекулярних ножиць. 

Наприклад, є результати випробувань тривалістю в рік, коли групі добровольців проводили терапію серповидноклітинної анемії за допомогою CRISPR-системи, замінюючи маленькі мутації у відповідних генах. Перші дослідження на людях показують, що є дуже хороші результати. 

Це величезний прогрес. Адже якщо говоримо про терапію анемії, захворювань крові, технічно це виглядає так, що в людини беруть клітини крові, поза її тілом виконують маніпуляції CRISPR-ом, і потім підсаджують назад. 

Є ще великий напрямок роботи з терапії вірусних захворювань за допомогою CRISPR. Наприклад, віруси герпесу, гепатиту, Епштейна-Барра, імунодефіциту людини й інші.

Беремо клітини в пацієнта, але працюємо з ними поза організмом. І повертаємо пацієнту "відредаговані" клітини. У цьому напрямку є дуже хороші результати.

У напрямку онкології є цікаві роботи, але вони складніші для пояснення. Це синтетична біологія: коли ми використовуємо саму клітину або якісь її ферменти-білки як міні-чіп. 

Уявіть: можна запрограмувати CRISPR-систему, щоб вона активувалася певним онкомаркером – білком. 

Якщо клітина онкологічна, там багато білка Х. Він зв’язується з направляючою РНК, і тільки тоді направляюча РНК може зв’язуватися з білком CAS9. Після чого запрограмована нами система може увімкнути гени апоптозу і спрямовувати клітину на самоліквідацію, якщо вона злоякісна. 

І такі системи роблять. Наприклад, з раком сечового міхура. Під кожен тип раку можна створити такий керований міні-комп'ютер.

Наразі такі роботи ще не вийшли за межі лабораторій. Але ці речі досить близькі до медичної апробації, захоплюють уяву і дуже надихають. 

Що далі і які проблеми

Головне обмеження застосування CRISPR-системи в медицині вже і зараз – "off-target" ефект. Наприклад, система випадково може порізати ДНК не там, де треба, а це серйозна проблема. Її треба вирішити перед тим, як пропонувати такий метод терапії пацієнту.

CRISPR система також може бути генотоксичною. Бо як у клітині пошматували ДНК не там, де треба, і розривів багато, клітина може включити механізм самоліквідації. Іноді буває низька ефективність редагування.

Є і інша проблема: як це все "запхнути" в клітину, що використати в якості "шатлу", щоб доставити це в клітину, і щоб це не було токсичним для пацієнта.  

Використати ретровіруси для доставки – це потенційна онкогенність. Використати інші віруси, що не такі агресивні? Це знижує ефективність. І таких нюансів багато. І сам комплекс CRISPR-CAS9 теж має свою імуногенність.

Зараз це окремий напрямок, дослідники вивчають, як довести роботу системи CRISPR до філігранності, як знизити її можливу токсичність, імуногенність, які способи доставки будуть ефективними.

Співавторка: Оксана Півень