Загадки CRISPR-Cas: как создают генно-модифицированных животных
Изобретение редактора генов CRISPR-Cas называют революцией в биологии. Ученые обещают с его помощью улучшать сорта растений и породы животных для сельского хозяйства, лечить врожденные генетические заболевания у людей. Корреспондент РИА новости отправилась посмотреть, у кого и как редактируют геном.
Центр геномного редактирования МГУ открылся чуть больше года назад — на территории университетского кампуса. Меня встречает его директор, доктор химических наук Петр Сергиев, и, пока мы едем в лифте, немного посвящает в историю генной инженерии.
"Геном редактировали и раньше. Только инструменты для этого создавать было сложно, долго, а результат получался часто не такой, как хотелось", — говорит он.
В виварии Петр Владимирович переодевается в синюю лабораторную одежду, мне выдают одноразовый белый комбинезон и просят протереть фотоаппарат спиртом. Теперь Петр Владимирович выглядит как хирург, а я — как лаборант из сериала "CSI — место преступления".
В стерильной лаборатории для нас заготовлен контейнер с оплодотворенными яйцеклетками мыши и пробирка с раствором РНК. Это все, что нужно для редактирования генома методом CRISPR-Cas.
CRISPR — английская аббревиатура словосочетания, буквально означающего "регулярно сгруппированные короткие палиндромные повторы". По сути, это просто небольшие участки ДНК вирусов-бактериофагов, встроенные в геном бактерий. Эти последовательности нужны для работы бактериальной иммунной системы и служат чем-то вроде объявлений "Их разыскивает милиция". Если бактерия выживает после заражения бактериофагом, она с помощью белковых ферментов Cas вырезает кусок из его ДНК и встраивает в свой геном, чтобы распознавать впоследствии. Геном бактерий наследует эту библиотеку "врагов", заботливо собранную предыдущими поколениями.
В 2013 году ученые выяснили, что белок Cas действует в любом организме, включая млекопитающих. Он способен вносить направленные разрывы в обе цепочки молекулы ДНК и таким образом изменять геном.
Манипуляции с яйцеклеткой
Петр Сергиев изготавливает на микрокузнице стеклянный капилляр диаметром сто микрон, затягивает в него яйцеклетку и переносит под стеклышки с питательной средой. Готовый образец отправляется на предметный столик оптического микроскопа. На мониторе возникает увеличенное изображение яйцеклетки, подрагивающей на кончике капилляра. Выделяются два округлых пятна — это пронуклеусы с ДНК матери и отца.
Ученый готовит еще один капилляр, диаметром на порядок меньше. Это шприц для инъекции. Набирает в него раствор с двумя видами РНК и с помощью манипуляторов аккуратно протыкает яйцеклетку. Все, инъекция сделана.
РНК, введенные в яйцеклетку, нужны для разрезания генома в заданном месте. Один вид РНК содержит строго определенную последовательность нуклеотидов, аналогичную той, что мы задумали изменить. Задача этой РНК — найти соответствующий участок в ДНК, поэтому ее называют "направляющей". РНК второго вида, матричная, — своего рода инструкция для синтеза белка-нуклеазы Cas9. Этот белок действует как катализатор химической реакции, разрывающей фосфодиэфирные связи между строго определенными основаниями ДНК. Поскольку у молекулы белка два нуклеазных центра, то размыкаются обе цепи ДНК, причем в том месте, координаты которого Cas9 "считал" с направляющей РНК.
Молекула ДНК воспринимает разрыв обеих цепочек как серьезную поломку и стремится ее починить. Плавающие в клетке ферменты-экзонуклеазы немедленно удаляют несколько нуклеотидов с обоих концов разрыва. Этого достаточно, чтобы сломать, или, как говорят генетики, "выключить" ген.
Если нужна направленная мутация, например, требуется пометить белок, чтобы следить за ним в организме, то в комплекс к двум РНК вносят еще одну матрицу в виде особым образом сконструированной ДНК. Она состоит из последовательностей, идентичных краям будущего разрыва, а также содержит участок, который предстоит вставить. После того как Cas9 разрезал молекулу ДНК, ее концы соединяются, используя эту дополнительную матрицу, поэтому в разрыв вставляется нужный нам набор нуклеотидов.
"Мы можем приделать небольшой хвостик к белку, за который его удобно вытаскивать и смотреть, с чем он взаимодействует. Можем и ген вставить, но это не так эффективно, как выключать", — продолжает объяснять ученый.
ГМО и химеры
Отредактированную яйцеклетку пересадят в маточную трубку суррогатной мыши. Она какое-то время жила с самцом, у которого перевязаны семенные канальца. Пара вела нормальную половую жизнь, но зачать не могла. Тем не менее организм мышки считал, что она беременна, и сформировал для нее соответствующий гормональный фон. Теперь эта самка выносит чужой плод.
Через три недели у нее родятся с виду самые обыкновенные мышата. Ученые подождут, пока грызуны подрастут, возьмут у них небольшой кусочек хвостика и с помощью ПЦР проанализируют участок ДНК, который редактировали. Мутацию или выключенный ген обнаруживают в более чем половине случаев. Обратная процедура — вставка последовательности в геном — удается не более чем в 10% опытов.
При редактировании возникают разные любопытные эффекты. Например, рождаются мозаичные мышки, или химеры, у которых есть клетки с разными вариациями материнского и отцовского генома. Cas9 может резать ДНК многократно, но кодирующая его матричная РНК не вечна, и введенный раствор попросту исчезает в ряду клеточных делений. Иногда редактор все же срабатывает повторно уже после того, как пронуклеусы слились и яйцеклетка поделилась. А поскольку восстановление ДНК после разрыва — это всегда случайный процесс и залечивание никогда не происходит одинаково, то часть клеток в одном организме будет содержать другую мутацию.
Для науки и медицины
Мы переходим в соседнее помещение посмотреть на живые результаты экспериментов по редактированию генома. На стеллажах слева — контейнеры с генно-модифицированными мышами, справа — с обычными грызунами для контроля. Их выращивали, как и тех, что слева, но манипуляций с геномом не производили. Контрольные мышки нужны, чтобы иметь перед глазами норму и сравнивать с ней существ, полученных в эксперименте.
Петр Сергиев берет один из контейнеров с парой серых мышей. Внешне они совершенно обычные, но у них нет приплода. Дело в том, что у самца выключен ген одной из РНК-метилтрансфераз — фермента, вырабатываемого только в сперматозоидах. Самцы с неактивным геном рождаются стерильными. Точное назначение гена и фермента пока неизвестно. Чтобы это выяснить, в лаборатории вывели две линии мышат: у одной — ген выключен, у другой с помощью геномного редактора помечен белок.
"Мутацию в этом гене находят и у людей — тогда мужчина страдает бесплодием. Но пока мы не узнаем, зачем он нужен, зачем он модифицирует РНК, мы не сможем помочь таким больным", — рассуждает ученый.
На самом деле мы до сих пор не знаем функцию большинства генов человека. Выяснить это — фундаментальная задача, решаемая многими научными группами по всему миру, в том числе в России. Геном мыши во многом похож на человеческий. Можно надеяться, что с помощью CRISPR-Cas изучение генома любых существ пойдет быстрее.
Группа Сергиева вместе с НМИЦ онкологии им. Н. Н. Петрова приступила к поиску мутаций, приводящих к некоторым видам рака. В самых ближайших планах — проект по созданию генно-модифицированных животных для сельского хозяйства совместно с ВНИИ животноводства и Институтом биологии гена РАН.
"CRISPR-Cas — это фантастический инструмент, позволяющий менять геном по своему усмотрению, быть немножко Богом. В конечном итоге задача науки — понять, как работает такое сложное существо, как млекопитающее", — говорит ученый.
Решать фундаментальные проблемы науки — это прекрасно, но что эта технология даст медицине? В обозримом будущем, увы, немного. Отредактировать яйцеклетку и вырастить генно-модифицированную мышь легко, однако исправить гены взрослого животного нельзя, не говоря уже о человеке.
Способы редактирования ДНК в соматических (то есть уже сформированных клетках) пока очень неэффективны. Для того чтобы ввести в клетку какой-то выключенный мутацией ген и заставить его вырабатывать определенный белок, нужно изъять часть клеток из организма, отредактировать в них ДНК и поместить опять в организм. В принципе, есть надежда, что таким образом удастся бороться с заболеваниями типа миодистрофии Дюшена или муковисцидоза, когда нужно вернуть работоспособность какой-то части клеток. Что же касается предрасположенности к раку, то пока геномный редактор бессилен. Если у человека обнаружили мутантный ген, то он находится во всех клетках организма. Все их изменить нереально. А каждая клетка с мутацией представляет собой источник опасности.
Но даже если CRISPR/Cas поможет ответить лишь на некоторые фундаментальные вопросы и позволит лечить редкие генетические заболевания, все равно это станет для человечества большим шагом вперед.