Корректура книги жизни: редактирование генов стало безопаснее

Нечто подобное происходит в области биологии с недавним открытием мощных методов вмешательства в генетический код жизни. Новый метод редактирования генов с легкостью компьютерных функций вырезания и вставки может оказаться более важным, чем расщепление атома, и представляет собой крупный шаг вперед в войне со смертельными заболеваниями.
Прорыв, известный как CRISPR, был встречен с экстатическим оптимизмом и серьезными опасениями.

В исследовании, опубликованном в расширенном онлайн-выпуске журнала Nature Communications, Карен Андерсен, Самира Киани и их коллеги из Университета штата Аризона описывают метод, при помощи которого инструмент редактирования генов CRISPR-Cas9 становится «невосприимчивым», потенциально позволяя редактировать и восстанавливать гены. выполняться надежно и незаметно.
Это исследование является первым, кто точно предсказывает доминантные сайты связывания или эпитопы, ответственные за иммунное распознавание белка Cas9, и экспериментально нацеливает их на модификацию. Результаты делают CRISPR на шаг ближе к безопасному клиническому применению.
Андерсон – профессор биодизайна штата Вирджиния Дж.

Центр персонализированной диагностики Piper и Школа наук о жизни АГУ. Она также является адъюнкт-профессором медицины в клинике Мэйо в Аризоне. Киани недавно присоединилась к Институту биодизайна в дополнение к своим назначениям в Школе наук о жизни АГУ и Школе биологической инженерии и систем здравоохранения. Ее исследовательские интересы включают использование методов синтетической биологии для повышения безопасности CRISPR.

Древний инструмент, футуристическая наука
Еще в 1987 году группа исследователей из Осаки, Япония, обнаружила кое-что необычное. Идентичные генетические последовательности неоднократно появлялись в бактериальном геноме E. кишечная палочка. Эти палиндромные последовательности были разделены сокращенными фрагментами ДНК различного состава.

Природа этих странных повторяющихся последовательностей и любопытных ДНК-фраз, разделяющих их, была загадкой. Примечательно, что они начали обнаруживаться у других бактерий. Действительно, это явление казалось повсеместным, и гонка за объяснением продолжалась.
Сегодня мы знаем, что исследователи наткнулись на ранее неизвестную бактериальную иммунную систему – CRISPR (для сгруппированных с регулярными интервалами коротких палиндромных повторов).

CRISPR опирается на два основных компонента. Первая, известная как направляющая РНК, представляет собой своего рода молекулярную ищейку, отвечающую за определение местоположения определенного участка в геноме, который необходимо изменить или отключить.

Второй компонент, известный как Cas9, представляет собой белок особого типа, известный как эндонуклеаза. Он функционирует как пара острых как бритва секатор, разрезая двухцепочечную ДНК в нужном месте, расположенном у направляющей РНК.

Когда такая бактерия, как E. coli заражен незнакомым вирусом, известным как бактериофаг, система CRISPR активируется. Если бактериальные защитные механизмы успешно отключают вирус, CRISPR разбивает ДНК захватчика на части и сохраняет эти фрагменты в своего рода геномной библиотеке.

Последующее вирусное нападение на бактерию заставит CRISPR сравнить сегменты ДНК вируса-нарушителя с банком данных фрагментов ДНК бактерии от предыдущих вирусных атак. Когда направляющая РНК находит совпадение в ДНК вируса, она связывается с комплементарной последовательностью, и белок Cas9 разделяет ДНК, завершая вирус.
Природа 2.0

Умные исследователи вскоре осознали потенциал CRISPR-Cas9 в качестве универсального инструмента для редактирования генов, полезного не только для модификации выбранных участков всего бактериального генома, но и геномов всех живых организмов, включая человека. Возможности ошеломительны и не ограничиваются эффективным лечением широкого спектра генетических заболеваний. Впервые, возможно, удастся исправить генетические опечатки Природы, полностью вылечив многие из этих болезней и предотвратив возникновение других.

CRISPR также обладает потенциалом для радикального преобразования экосистем и был предложен в качестве средства искоренения болезней, таких как малярия, путем вымирания комаров, которые несут их, с помощью методов, основанных на CRISPR, известных как генные двигатели.
Впервые в истории Земли один вид владеет ключом к управлению ходом своей собственной эволюции (не говоря уже об эволюции бактерий, жирафов, красных деревьев и всей планетарной жизни). В настоящее время существуют запреты на редактирование генов у людей, которые могут передаваться через зародышевую линию последующим поколениям, но по крайней мере в одном случае эти границы были зловеще нарушены. Метод CRISPR настолько силен и универсален, что, вероятно, несколько областей прикладной биологии останутся нетронутыми им.

Но прежде чем CRISPR сможет сделать свои первые пробные шаги в клинике, необходимо решить ряд вопросов безопасности, начиная с генно-срезающего белка Cas9.
«Будучи такой же социальной революцией, как и технологическая революция, многие исследователи начали изучать этические, социальные аспекты, аспекты безопасности и нормативные требования, связанные с использованием CRISPR», – говорит Киани. «Техника безопасности для решения проблемы управляемости, специфичности и побочных эффектов лечения CRISPR приобрела значительный импульс, и возникли этические дебаты, чтобы гарантировать правильное использование технологии. Моя лаборатория заинтересована в решении обеих проблем."

Управление иммунитетом
Cas9 – это точный и универсальный инструмент, заменяющий ранние, неточные и неэффективные методы редактирования генов быстрым, недорогим и смертельно точным режущим устройством. Но Cas9 в его родной форме может плохо переноситься человеческим организмом.
Обеспечение безопасности технологии CRISPR для клинического использования является центральной задачей, и этот вопрос является непростым.

Одна из потребностей состоит в том, чтобы гарантировать, что центральный механизм CRISPR не распознается иммунной системой пациента как чужеродный объект и не подвергается атаке. Такой иммунный ответ может вызвать значительную токсичность. (Ранний, до CRISPR метод введения измененных генов для коррекции редкого генетического заболевания привел к трагедии, когда восстание иммунной системы вызвало полиорганную недостаточность и смерть. Сегодня улучшенные векторы для генной терапии привели к более безопасному лечению ряда генетических заболеваний, хотя «нецелевые» эффекты этих вмешательств остаются важной проблемой.)

Белок Cas9 получают из общей бактерии Streptococcus pyogenes. «Проблема, – говорит Андерсон, – в том, что многие из нас уже невосприимчивы к стрептококку. Если у вас была стрептококковая инфекция группы А, возможно, у вас уже есть иммунитет к этому белку."

S. pyogenes – это круглая бактерия, которая обычно колонизирует горло, слизистую оболочку половых органов, прямую кишку и кожу, ежегодно поражая 700 миллионов человек во всем мире. Он отвечает за различные заболевания, от ревматической лихорадки и ревматической болезни сердца до скарлатины и стрептококкового фарингита, широко известного как стрептококковая ангина.

В предыдущих усилиях по редактированию генов клетки были удалены из тканей человека, переработаны и заменены в организме. Мощность CRISPR позволяет исследователям модифицировать ДНК в тканях живого человека и даже нацеливаться на несколько модификаций генов с помощью одного вмешательства CRISPR. «Если вы хотите подумать о восстановлении клеток, которые находятся в каком-либо органе, таком как клетка печени, почка или мозг», – говорит Андерсон, – «тогда вы должны выразить в нем бактериальный белок."Вот где угроза запуска иммунного ответа на Cas9 становится серьезным препятствием.
Cas9 идет инкогнито
Новое исследование подтверждает, что Cas9 действительно иммуногенен для человека и что ранее существовавшее воздействие S. pyogenes может заставить Т-клетки организма запустить иммунную атаку против бактериального белка.

Когда было проанализировано 143 образца крови, 82 из них (или 57.3 процента) показали определяемые уровни антител к S. пиоген.
Далее в исследовании описывается попытка создать полнофункциональную версию Cas9, пригодную для редактирования генов, которая не распознается и не нацеливается иммунной системой. Для этого исследователи определили области связывания антител с молекулой Cas9 (известные как эпитопы), которые непосредственно участвовали в запуске распознавания и атаки Т-клеток.
Две мутации в так называемых якорных остатках эпитопа Cas9 были исследованы индивидуально и в комбинации для оценки их влияния на иммуногенность.

Модификация этих областей с помощью всего одной аминокислоты произвела версию Cas9, которая могла работать под прикрытием. Реактивность Т-клеток к мутированному пептиду снизилась в 25-30 раз, при этом способность Cas9 разрезать ДНК оставалась неизменной.
«Это уникальная часть того, что мы сделали», – говорит Андерсон. «Мы взяли эти доминантные эпитопы и попытались заставить их замолчать – просто сделав одну или две мутации в гене Cas9. Но мы восстановили его, чтобы ген оставался функциональным.

Он не иммунологически тихий, но более тихий.«Действительно, результаты исследования подтвердили, что в культивируемых клетках модифицированный Cas9 был менее иммунологически активным, сохраняя при этом свои функциональные свойства. Автор подчеркивает, что этот метод можно комбинировать с другими стратегиями для дальнейшего повышения безопасности CRISPR и снижения потребности в иммунодепрессантах.

Изучаются захватывающие новые направления исследований, которые позволят использовать CRISPR для индуцирования эпигенетических изменений, включения молчащих генов, изменения активности нарушенных генов или иного изменения экспрессии генов без постоянных изменений в ДНК. Такие вмешательства потребуют, чтобы система CRISPR оставалась в организме намного дольше, чтобы быть эффективной, возможно, недели или месяцы. Здесь потенциальная невосприимчивость к Cas9 будет еще более важным фактором.

Индивидуальный подбор эпитопов для подавления иммунного ответа на Cas9 предлагает привлекательный подход.
«Мы надеемся, что это исследование станет началом многих усилий, которые в совокупности могут снизить иммуногенность CRISPR для клинических испытаний», – говорит Киани.

3 комментария к “Корректура книги жизни: редактирование генов стало безопаснее”

  1. Вояжировал в глобальной сети интернет и угодил сюда. Какое замечательное придумывание человечества. При поддержке интернет-сети общаешься, штудируешь, разбираешь … А именно и с вами лично познакомился.

Оставьте комментарий