Через різноманітність людського геному редагуюча система CRISPR/Cas може відредагувати багато зайвого.
Метод редагування генома під назвою CRISPR (або CRISPR/Cas), з'явившись всього кілька років тому, швидко набрав популярності серед фахівців з генної інженерії. Спочатку його відкрили як бактеріальну систему противірусного захисту.
Бактерії тримають у себе в геномі шматки вірусних генів (ці послідовності в бактеріальній хромосомі називаються CRISPR), і, коли в клітці з'являється чужа ДНК, спеціальні ферменти (білки сімейства Cas) порівнюють її з вірусними зразками - і якщо схожість є, чужорідну ДНК розрізають і відправляють в утиль.
Біотехнологи в якийсь момент зметикували, як можна використовувати цю систему для своїх потреб. Білки бактерій, за допомогою яких ті знищують ДНК вірусів, пристосували для роботи в клітинах тварин. По суті, принцип роботи залишився тим самим: білок шукає в клітинних хромосомах ділянку, яку потрібно вирізати, а в якості «путівника» ферменту дають молекулу РНК з тією ж послідовністю нуклеотидів, що і в потрібній ділянці. Звіряючи РНК, яку він носить з собою, з клітинною ДНК, фермент зрештою знаходить потрібне місце в геномі, і вирізає його. Если здесь была мутация, она исчезнет - клеточные системы ремонта ДНК сами заделают образовавшуюся дыру так, что никакой мутации тут уже не будет.
Ще раз скажемо, що це дуже спрощений опис того, як працює геномний редактор CRISPR. Зараз він існує вже в декількох варіантах, з різними білками, які ріжуть ДНК так або етак. Але в будь-якому випадку зрозуміло, наскільки величезні перспективи відкриваються тут для біоінженерії та медицини: величезне число хвороб розвиваються через дефекти в нашій ДНК, так що інструмент, який дозволяв би такі дефекти усувати, був би дуже до речі. Звичайно, в генній інженерії і до того були методи, що дозволяли редагувати ДНК, але - і це важливо - за точністю система CRISPR/Cas їх сильно перевершує.
Однак щодо точності виявилося, що все не так просто - зовсім недавно ми писали про те, що метод CRISPR вносить в геном безліч непередбачуваних мутацій. А зараз в Nature Medicine вийшла ще одна стаття на ту ж тему. Девід Скотт (David Scott) і Фен Чжан (Feng Zhang, один з тих, хто першим придумав пристосувати бактеріальний CRISPR/Cas до біотехнологічної практики) з Інституту Броуда прийшли до висновку, що метод редагування CRISPR поки що мало підходить для роботи з людськими генами, тому що людські гени виявилися занадто різноманітними.
Проблема в тому, що один і той же ген у різних людей може відрізнятися. Як ми знаємо, ДНК - це послідовність чотирьох різних молекул нуклеотидів, чотирьох букв генетичного коду. В силу різних причин одна з літер може помінятися на іншу, без всякого шкодячи для гена і клітини. Такі однонуклеотидні заміни відбуваються постійно, і в результаті один і той же ген у двох різних людей кодує цілком здоровий, функціональний фермент, але послідовність самого гена відрізняється на одну, дві, три, кілька літер. І якщо взяти досить велику групу людей і проаналізувати їх геноми на предмет якого-небудь гена, ми знайдемо масу варіантів в його послідовності; для цього є спеціальна назва - однонуклеотидний поліморфізм.
А тепер згадаємо, що система редагування геному шукає те місце, яке треба відредагувати, за допомогою спеціального шаблону (або гіда) - молекули РНК. Її синтезують так, щоб її послідовність збігалася з послідовністю в ДНК, куди потрібно внести розрив. Але молекулу-шаблон роблять досить короткою, вона дізнається лише невеликий шматочок редагованого гена. Адже чим коротша послідовність нуклеотидів, тим більша ймовірність того, що точно така ж послідовність зустрінеться не тільки в потрібному гені, але і де-небудь ще. Враховуючи багатство однонуклеотидних замін в людському геномі, здається цілком імовірним, що саме так і трапиться: машина CRISPR/Cas припливе до абсолютно стороннього гену, який через однонуклеотидну заміну став схожий на той, який повинен був служити справжньою метою.
Вперше про те, що різноманітність генів може ввести CRISPR/Cas в оману, заговорили ще три роки тому, але зараз вдалося кількісно оцінити масштаб проблеми. Девід Скотт і Фен Чжан змоделювали РНК-шаблони для дванадцяти генів, які мають відношення до цілої низки хвороб. Потім, щоб зрозуміти, на що ще можуть сісти ці шаблони, автори роботи скористалися повногеномними послідовностями з генетичних баз даних, що збирають інформацію про різноманітність людського геному.
У деяких випадках РНК-шаблон редагуючого білка виявлявся дійсно дуже точним - тобто він зв'язувався тільки з тим геном, для якого його і синтезували. Але в інших випадках число помилок доходило до 10 000 - саме стільки точок у геномі, крім потрібної, могла б відредагувати машина CRISPR/Cas. Причому в даному випадку мова йде не про сміттєву ДНК, яка нічого не кодує, а саме про гени, що кодують білки.
Але метод CRISPR/Cas все-таки здається занадто зручним, щоб від нього можна було просто взяти і відмовитися, і, швидше за все, біотехнологи зроблять все можливе, щоб підвищити його точність. І тут, по-перше, можна більш ретельно моделювати послідовність РНК-шаблону; самі Скотт і Чжан запропонували свій алгоритм, що дозволяє підвищити точність редагуючої системи.
По-друге, збираючись застосувати редагування геному до якогось хворого, слід прочитати його геном повністю, і вже з повногеномною картою на руках, знаючи всі його однонуклеотидні заміни, підбирати послідовність для молекули РНК, яка приведе редагуючий білок саме до потрібного гену. Втім, на людині CRISPR/Cas будуть відчувати ще не скоро - занадто багато ще потрібно випробувати на молекулах, клітинах і тварин.