История редактирования генома начинается с исследования бактерий


Главные новости дня читайте в нашем паблике Вконтакте
История редактирования генома начинается с исследования бактерий. Они, как и человек, подвержены заражению вирусами, только особенными, называемыми бактериофагами. Примерно в 50-х годах прошлого века учёные обнаружили, что одни виды бактерий заражаются фагами медленнее, чем другие, но со временем вирусы адаптировались, и вся колония теряла резистентность к вирусу. Это явление объясняется высокой скоростью мутаций вируса. После ряда мутаций иммунитет бактерии не опознаёт вирус, и фаг свободно распространяется по колонии.

В 1987 году группа японских учёных во главе с Исино Ёсидзуми заметили в геноме кишечной палочки (E. coli, самой любимой бактерии генетиков) повторяющиеся элементы, разделённые неповторяющимися последовательностями, названные впоследствии спейсерами (по аналогии с англ. space — пробел). Впрочем, тогда учёные не придали своему наблюдению большого значения.

Испанский исследователь Франсиско Мохика в 1993 году обнаружил повторяющиеся последовательности, разделённые промежутками, в геноме археи Haloferax mediterranei. Мохика выявил, что строение генома археи близкое к геному кишечной палочки, однако E. coli и Haloferax mediterranei отличались друг от друга нуклеотидной последовательностью повторов. Учёный предположил принципиальное значение повторяющихся последовательностей в коде. Сперва он назвал новый класс повторов «регулярно разделённые короткие повторы» (англ. short regularly spaced repeats, SRSRs), однако впоследствии, по его предложению, название заменили на «короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами» (англ. clustered regularly interspaced short palindromic repeats, CRISPR). Вскоре стали выделяться локусы CRISPR в различных микроорганизмах, а уже к 2000 году они были выявлены более чем у 20 микроорганизмов.

Что это за участки ДНК, оставалось неизвестным. В 2002 году вблизи локусов CRISPR были обнаружены гены cas, кодирующие белки. Cas — переносчики и ферменты-эндонуклеазы, разрезающие ДНК, однако тогда их функция ещё не была установлена. В 2005 году в некоторых штаммах кишечной палочки в локусе CRISPR были найдены фрагменты ДНК, соответствующей одному из бактериофагов E.coli — P1. Оказалось, что CRISPR — это база данных бактерии о контактах с вирусами, подобная тому, как лимфоциты человека хранят информацию о контактах с инфекционными агентами, обеспечивая быстрый ответ иммунной системы на попадание в организм бактерий или вирусов, с которыми человек уже встречался. Механизм работы бактериального иммунитета сводился к тому, что если бактерии удавалось победить вирус, она как бы подбирала фрагменты его ДНК и встраивала в свой геном, формируя своего рода картотеку вирусов, с которыми она сталкивалась прежде. В ходе экспериментов, проводимых с 2006 по 2007 год, была доказана роль системы CRISPR/Cas9 в обеспечении адаптивного иммунитета бактерий. При необходимости система «доставала» из своей картотеки фрагмент и списывала с него РНК-копию. Копия присоединялась к белковому комплексу, содержащему в своём составе эндонуклеазу Cas9, и формировала рибонуклеопротеиновый комплекс. В свою очередь, комплекс связывался с чужеродным геном-мишенью, которой соответствовал исходный фрагмент, и белок Cas9 проводил разрезание чужой цепочки ДНК. Бактерии остаётся только «растворить» остатки генома вируса и использовать их по своему усмотрению. Своими «картотеками» бактерии могут обмениваться, например, во время половых процессов, которые у бактерий, в отличие от человека, связаны именно с обменом генетической информацией, а не слиянием ее от двух особей.

Как бы замечательно система не выглядела на первый взгляд, но фаги уже адаптировались и к ней. Они мутируют, чтобы миновать механизмы рестрикции. Они сбрасывают из своего генома участки, которые уже «засветились» перед бактерией. Они встраивают свой геном в спейсеры. Они мешают системе бить себя, встраивая белки между своим геномом и её «оружием», замедляя каскадные реакции образования новых рибонуклеопротеиновых комплексов. Однако, эволюция не стоит на месте: и бактерии, и фаги обретают новые методы борьбы друг с другом. Внезапно оказалось, что эта эволюционная война открывает возможность людям изменять свой геном.

Со временем обнаружилась способность CRISPR/Cas9 функционировать не только в прокариотических бактериальных, но и в человеческих эукариотических клетках. Особенности одновременного взаимодействия двух разнородных нуклеиновых кислот и белка позволила учёным менять белки в составе комплекса Cas и проводить не только разрезание ДНК, но и извлечение из неё фрагментов и даже их замену. Учёные в итоге остановились на Cas9 гноеродного стрептококка, так как его гены легче «оптимизировать» в соответствии с особенностями генома организма, которому требуется «починка», а набор РНК, по которым фермент определяет, где нужно разрезать ДНК, объединён в единую направляющую РНК.