Skip links

Генный редактор CRISPR/Cas – история и перспективы

Генный редактор CRISPR/Cas – история и перспективы

Генную терапию впервые использовали для лечения наследственных заболеваний в 1990 году: в клетки вводили нужный ген. Но это работает только при дефиците того или иного гена.

В США до сих пор совершенствуют метод добавления необходимых генов «цинковым пальцем»: вводимый ген «прицепляют» к нужному месту ДНК с помощью иона цинка. Так лечат гемофилию В и мукополисахаридозы 1 и 2 типов. Но что, если нужно удалить ген?

Немного истории

В 1987 году в университете Осоки Ёшизуми Исино нашел неизвестную ранее структуру в геноме прокариотов: цепочки повторяющихся структур ДНК, разделенных уникальными – спейсерами. Наблюдению не придали значения. Но в 1993 году им заинтересовался испанец Франсиско Мохика. Его команда нашла такие последовательности у совершенно разных доядерных простейших. Явление получило название Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats (Группы регулярных разделенных коротких полиндромных повторов) или CRISPR.

К 2002 году были описаны связанные с CRISPR белки (Сas). А в 2005 году Мохика и коллеги сделали вывод, что комплекс CRISPR/Cas – это иммунная система доядерных клеток. Спейсеры оказались образцами ДНК вирусов, которые встречала клетка. CRISPR/Cas проверяет каждую новую ДНК, сличая ее с «картотекой» спейсеров. Если находится вирусный кусок, CRISPR «вырезает» его, а Cas-белки разлагают.  Тут и родилась идея использовать CRISPR/Cas для генного редактирования.

Как комплекс определяет какой кусок вырезать, и как он его вырезает – очень сложный процесс. Но в общих чертах это работает так: комплекс СRISPR конструируется из повторов, идентичных структурам ДНК целевой клетки, а спейсеры кодируют ген, который нужно вырезать. Далее берут образец целевой клетки и редактируют, а после – клонируют. Колонию измененных клонов возвращают в организм.

Новые химеры против рака

Первая операция по генному редактированию прошла в 2009 году. Доктора изъяли иммунные клетки людей, больных вирусом папилломы человека (ВПЧ), выключили ген CCR5, формирующий рецепторы, через которые вирус проникает в клетку, и вернули их в тело больного. Болезнь удалось сдержать. Первый опыт оказался успешным.

После 2009 года исследования замедлились. Изучить каждый участок ДНК и каждый белок комплекса оказалось долгим и дорогостоящим делом. Зато сегодня происходит взрыв. Работы и результаты исследований по CRISPR/Cas публикуются почти каждую неделю. Ученые из Китая, США и Великобритании ведут более 20 исследований, сосредоточенных на лечение рака.

Сочетание нового метода CRISPR/Cas,  со старым – CAR, качественно улучшило лечение рака.  Дело в том, что лимфоциты от природы узко-специализированны, потому что каждый рецепторный белок подходит только к оному антигену. Это как ключ и замок – «вскрыть» раковую клетку можно только подходящим рецепторным белком. Метод CAR (chimeric antigen receptor – химерный антиген-рецептор) основан на том, что врач добавляет к ДНК лимфоцита гены, которые собирают другие рецепторные белки. Лимфоцит получает СAR – почти универсальную отмычку, чтобы «вскрывать» разные раковые клетки. Но рак имеет и другое оружие: он «умеет» инициировать смерть иммунных клеток, химически запуская ген PD-1. Этот ген кодирует естественную программируемую клеточную смерть.

Тут на помощь приходит CRISPR/Cas. В 2016 году ученые взяли образцы лимфоцитов больного раком легкого и вырезали несколько генов, в том числе PD-1. Лимфоциты стали невосприимчивы к специфической «атаке» раковых клеток, а значит более стойкими в борьбе с болезнью. Результаты этого эксперимента должны быть опубликованы в 2018 году.

Теперь очередь других видов рака: молочной и предстательной желез, мочевого пузыря, пищевода, почек, прямой кишки. Планируют лечить несколько видов рака крови, вызванные вирусом Эпштейна-Барр. Метод обещает быть эффективным, но есть опасность, что измененные клетки начнут атаковать и здоровые. А Брайан Каллен из медицинского центра Университета Дьюка добавляет, что из-за возможности побочных мутаций CRISPR сам может спровоцировать рак. Но если испытания будут успешными, это даст шанс миллионам людей.

Редактирование внутри тела

Изготовление химер в пробирке – только начало пути. Уже испытывается редактирование генома прямо в живой ткани.

Все клетки имеют две копии почти каждого гена. Своего рода система безопасности. Но иногда ошибка даже в одной из них вызывает заболевание – это называется доминантной мутацией. Команда ученых Гарвардского университета под началом Дэвида Лю сконцентрировалась на одной из таких мутаций.

Дэвид Лю испытывал генное редактирование на мышах с ошибкой в одной из копий гена TMC1. Этот ген кодирует белок, доставляющий питание в звукочувствительные волосковые клетки. Из-за мутации белок не работает и клетки медленно гибнут. К четырехнедельному возрасту больные мыши перестают воспринимать тихие звуки, а к восьми неделям полностью глохнут. У людей слух снижается к 5 годам, и в последующие 10 пропадает совсем.

Мышам вводили жировые капсулы с комплексом СRISPR/Саs. Скорость потери слуха снизилась: в 4 недели мыши все еще слышали тихие звуки, а в 8 – продолжали реагировать на громкие. Не полноценное лечение, но все же прогресс.

Сегодня метод испытывается на людях. Выше уже шла речь о испытаниях CRISPR/Cas для лечения ВПЧ. Китайские ученые пошли дальше и разработали способ предупреждать рак шейки матки у больных ВПЧ, редактируя геном на месте. На внешнюю часть шейки матки наносится гель с правильно запрограммированным комплексом CRISPR/Cas, который вырезает вирусные ДНК из зараженных клеток. На здоровые клетки препарат не влияет.

Впрочем, метод отключил дефектный ген только в 10% клеток. Дэвид Лю предполагает, что для большего эффекта нужно редактировать дефектную копию, а не отключать ее. Но ученым только предстоит понять, как это сделать

Подготовлено по материалам журнала New Scientist: https://www.newscientist.com/

Присоединяйтесь к обсуждению