02 декември 2020
Категории
  •  Космос
  •  Физика
  •  Науки за земята
  •  Биология
  •  Медицина
  •  Математика
  •  Научни дискусии
  •  Разни
FACEBOOK

Генетичната ножица CRISPR-Cas9 - методът за промяна на кода на живота, удостоен с Нобелова награда

| ПОСЛЕДНА ПРОМЯНА 07 октомври 2020 в 13:11 53280
Еманюел Шарпентие и Дженидър Даудна. Кредит: Nobel Media. Ill. Niklas Elmehed.

Методът за генна редакция CRISPR-Cas9 е едно от онези неочаквани открития, които имат невероятен потенциал. Когато Еманюел Шарпентие и Дженидър Даудна започват да изследват имунната система на бактериите Streptococcus, една от техните идеи е може би да разработят нов вид антибиотик. Вместо това те откриват молекулен инструмент, който може да бъде използван за да отреже прецизно генетичен материал, което дава възможност лесно да се промени кода на живота. 

Мощен инструмент, който може да е важен за всеки

Едва осем години след своето откритие генетичната ножица вече е променила науките за живота. Биохимици и молекулярни биолози лесно изследват функциите на различни гени и тяхната възможна роля в развитието на заболяванията. При отглеждането на растенията учените могат да дадат специфични характеристики, като устойчивост на суша при по-топъл климат. В медицината, този генен редактор допринася за развитието на нови терапии срещу рак и първите изследвания, целящи да лекуват наследствени болести. 

Това са само някои от безкрайните начини, по които може да бъде използван CRISPR-Cas9, което включва и неетични приложения. Както всяка мощна технология, тази генетична ножица трябва да бъде регулирана.

При своето запознанство през 2011 г. в кафене в Пуерто Рико, нито Еманюел Шарпентие, нито Дженифър Даудна имат представа, че  тази среща ще промени живота им.

Шарпентие се интересува от патогенна бактерия

Някои я наричат внимателна и задълбочена. Други казват, че Еманюел Шарпентие винаги търси неочакваното. Самата тя цитира Луи Пастьор, "Съдбата съдейства на подготвените". Желанието да прави нови открития и да бъде свободна и независима са определили пътя й. Тя е живяла в пет различни страни, седем различни града и е работила за десет различни институции.

Средата и подходите й се променят, но основата част на нейните изследвания има общ знаменател - патогенните бактерии. Защо са толкова агресивни? Как развиват своята резистентност към антибиотици? И възможно ли е да се открият нови лечения, които да спрат развитието им?

През 2002 г., когато Еманюел Шарпентие събира свой собствен научен екип в Университета на Виена, тя се фокусира върху една от бактериите, които причиняват най-големите вреди на човечеството - Streptococcus pyogenes. Всяка година тя заразява милиони хора, често причинявайки лесно лечими инфекции като възпаление на сливиците и стрептодермия. Но бактерията може да предизвика и животозастрашаващ сепсис и увреда на меките тъкани.

За да изучи по-добре S. pyogenes, Шарпентие започва да изучава в детайли как са регулирани гените й. Това решение е първата стъпка по пътя на откритието на генетичната ножица, но преди да стигнем дотам ще научим малко повече за Дженифър Даудна. 

Науката - приключение и детективска история

Още като дете, растейки в Хавай, Дженифър Даудна изпитва силното желание да научава нови неща. Един ден баща й поставя книгата на Джеймс Уотсън "Двойната спирала" на леглото й. Подобната на детективска история за начина, по който Джеймс Уотсън и Франсис Крис откриват структурата на молекулата на ДНК няма нищо общо с това, което момичето е чело в учебниците си. Тя е запленена от научния прогрес и разбира, че науката е повече от просто факти. 

Но когато започва сама да разрешава научни мистерии, вниманието на Даудна е привлечено не от ДНК, а от нейния молекулен събрат - РНК. През 2006 г. тя ръководи научен екип в Университета на Калифорния, Бъркли и има две десетилетия опит в работата с РНК. Доудна има репутацията на успешен изследовател с нюх за значими проекти и навлиза във вълнуваща нова област - РНК интерференцията.

В продължение на години учените смятат, че разбират основната функция на РНК, но след това откриват редица малки РНК молекули, които помагат за регулацията на генната активност в клетките. Работата на Дженифър Даудна върху РНК интерференцията е причината през 2006 г. тя да получи телефонно обаждане от колега от друг департамент. 

Бактерии носят древна имунна система

Колегата микробиолог разказва на Даудна за ново откритие - когато учените сравняват генетичен материал от много различни бактерии, както и археи (едноклетъчни микроорганизми без ядра), те откриват повтарящи се ДНК секвенции, които са изненадващо добре запазени. Същият код се появява отново и отново, но измежду повторенията има уникални секвенции, които се различават. Все едно една и съща дума се повтаря след всяко различно изречение в книга. 

Фигура 1. Използвайки генетичната ножица, учените могат да променят генома на практически всеки жив организъм. Кредит: Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

Тези региони от повтарящи се секвенции се наричат групирани, равномерно разпределени, кратки палиндромни повторения, съкратено CRISPR. Интересното е, че уникалните неповтарящи се секвенции в CRISPR изглежда съответстват на генетичния код на различни вируси, така че се предполага, че това е част от древна имунна система, която защитава бактериите и археите от вирусите. Хипотезата е, че ако бактерията успее да оцелее след вирусната инфекция, тя добавя част от генетичния код на вируса в своя геном, като спомен за инфекцията. 

Колегата на Даудна обяснява, че никой още не знае как работи всичко това, но подозират, че механизмът, използван от бактерията да неутрализира вируса е сходен на изучаваната от нея РНК интерференция. 

Даудна открива комплексен механизъм

Тези новини за забележителни и вълнуващи. Ако се окаже вярно, че бактериите имат древна имунна система, това е голямо откритие. Усещането на Даудна за молекулната интрига се възражда и тя започва да търси цялата налична информация за системата CRISPR. 

Оказва се, че освен CRISPR секвенциите, учените са открили и специални гени, наречени CRISPR-асоциирани, съкратено като cas. Даудна намира за особено интересно това, че тези гени приличат много на гените, кодиращи познати протеини, специализирани в развиването и рязането на ДНК. Дали тогава Cas протеините имат същата функция? Дали срязват вирусна ДНК?

Даудна започва изследвания със своя екип и след няколко години успешно разкриват функцията на няколко различни Cas протеина. Едновременно с това, други научни групи от други университети изучават наскоро откритата система CRISPR/Cas. Техните изследвания показват, че имунната система на бактериите може да има много различни форми. Системата CRISPR/Cas, изучавана от Даудна спада към клас 1, това е комплексен механизъм, който изисква различни Cas протеини, за да се обезвреди вирус. Системите клас 2 са значително по-прости, защото се нуждаят от по-малко протеини. В друга част на света Еманюел Шарпентие наскоро е наблюдавала такава система. 

Ново непознато парче в пъзела на системата CRISPR

През 2009 г. Еманюел Шарпентие се премества от Виена в Университета Умео в Северна Швеция. Тя също се интересува от малките РНК молекули, които регулират гените и съвместно с колеги от Берлин описва малките РНКи, откривани при S. pyogenes. Резултатите й дават много идеи за размисъл, защото една от малките РНК молекули, която съществува в голямо количество при тази бактерия, е в непознат вариант, а генетичният код на тази РНК е много близък до специфичната CRISPR секвенция в генома на бактерията.

Сходствата между двете карат Шарпентие да предположи, че са свързани. Внимателният анализ на генетичните кодове също разкрива, че една част от малката непозната РНК молекула съвпада с частта от CRISPR, която е повторена. Това откритие е като намирането на две части от пъзел, които си пасват. 

Шарпентие не е работила с CRISPR, но нейният екип започва задълбочена микробиологична детективска работа, за да определи CRISPR системата при S. pyogenes. За тази система, която спада към клас 2, вече се знае, че изисква само един Cas протеин, Cas 9, за да разреше вирусната ДНК. Шарпентие доказва, че тази непозната РНК молекула, наречена транс-активираща crispr РНК (tracrRNA), има и определяща функция - необходима е на дългата РНК, създадена от CRISPR секвенцията в генома, за да узрее до активната си форма. 

Фигура 2. Кредит: Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

След интензивни и целенасочени експерименти, Емануел Шарпентие публикува откритието на tracrRNA през март 2011 г. Тя усеща, че е на прага на нещо много вълнуващо. Тя има дългогодишен опит в микробиологията и в изследването на системата CRISPR-Cas 9 и иска да си сътрудничи с биохимик. Дженифър Даудна е естественият избор. Така че същата пролет, когато Шарпентие е поканена на конференция в Пуерто Рико, за да говори за своите открития, нейната цел е да се срещне с този опитен изследовател от Бъркли.

Срещата в пуерториканско кафене, която преобърна науките за живота

По стечение на обстоятелствата те се срещат в кафене на втория ден от конференцията. Колега на Даудна ги запознава и на следващия ден Шарпентие предлага да разгледат заедно старите части на столицата. Докато се разхождат по калдъръмените улици, те започват да си говорят за своите изследвания. Шарпентие пита дали Даудна се интересува от сътрудничество - би ли искала да участва в изучаването на функцията на Cas 9 в простата система от клас 2 на S. pyogenes.

Дженифър Даудна е заинтригувана и двете, заедно с колегите си, правят планове за проекта чрез дигитални срещи. Те подозират, че CRISPR РНК е необходима за идентифициране на ДНК на вируса и че Cas 9 е ножицата, която отрязва молекулата на ДНК. Нищо обаче не се случва, когато тестват това in vitro. ДНК молекулата остава непокътната. Защо? Нещо не е наред с експерименталните условия? Или Cas 9 има съвсем различна функция?

След много размисли и множество неуспешни експерименти, изследователите най-накрая добавят tracrRNA към своите тестове. Преди това те смятат, че tracrRNA е необходима само когато CRISPR РНК се разцепи в активната си форма (фигура 2), но след като Cas 9 получава достъп до tracrRNA се случва това, което всички очакват: ДНК молекулата е срязана на две части.

Еволюционните решения често изненадват изследователите, но това е нещо изключително. Оръжието, което стрептококите са разработили като защита от вируси, е просто и ефективно, дори брилянтно. Историята на генетичните ножици би могла да спре тук. Шарпентие и Даудна откриват основен механизъм в бактерия, която причинява големи страдания на човечеството. Това откритие е поразително само по себе си, но случайността помага на подготвените умове.

Епохален експеримент

Изследователите решават да опитат да опростят генетичните ножици. Използвайки новите си знания за tracrRNA и CRISPR РНК, те измислят как да слеят двете в една молекула, която наричат водеща РНК (guide RNA). След това предприемат епохален експеримент с този опростен вариант на генетичните ножици - изследват дали могат да контролират този генетичен инструмент, така че той да отреже ДНК на място, предварително определено от изследователите.

По това време учените вече знаят, че са близо до голям пробив. Те вземат ген от фризер в лабораторията на Даудна и избират пет различни места, където генът трябва да бъде срязан. След това сменят частта на ножицата CRISPR, така че нейният код да съвпада с кода, където трябва да се направят разрезите (фигура 3). Резултатът е поразителен. ДНК молекулите са срязани точно на правилните места.


Фигура 3. Генетичните ножици променят науките за живота. Кредит: Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

Скоро след като Еманюел Шарпентие и Дженифър Даудна публикуват откритието си за генетичните ножици CRISPR/Cas9 през 2012 г., няколко изследователски групи демонстрират, че този инструмент може да се използва за модифициране на генома в клетки от мишки и хора, което води до експлозивно развитие на метода. Преди това промяната на гените в клетка, растение или организъм отнема много време, а понякога е дори невъзможно. Използвайки генетичните ножици, изследователите могат - по принцип, да направят промени в който геном си пожелаят. След това е лесно да се използват естествените системи на клетката за възстановяване на ДНК, така че да пренапишат кода на живота (фигура 3).

Този генен инструмент е много лесен за използване и затова сега е широко разпространен в базови изследвания. Използва се за промяна на ДНК на клетки и лабораторни животни с цел да се разбере как различните гени функционират и си взаимодействат, например по време на заболяване.

Генетичните ножици също се превръщат в стандартен инструмент в растениевъдството. Методите, използвани преди това от изследователите за модифициране на растителните геноми, често изискват добавяне на гени за антибиотична резистентност. Когато се засадят културите, съществува риск тази антибиотична резистентност да се разпространи върху околните микроорганизми. Благодарение на генетичните ножици, изследователите вече не трябва да използват тези по-стари методи, тъй като могат да правят много точни промени в генома. Наред с други неща са редактирани гените, които карат ориза да абсорбира тежки метали от почвата. Така се получават подобрени сортове ориз с по-ниски нива на кадмий и арсен. Изследователите разработват и култури, които по-добре издържат на суша в по-топъл климат и които са устойчиви на насекоми и вредители, заради които иначе би трябвало да се използват пестициди.

Надежда за страдащите от наследствени болести

В медицината генетичните ножици допринасят за нови имунотерапии за рак и се правят опити за сбъдването на една мечта - да се премахнат наследствените заболявания. Изследователите вече извършват клинични проучвания дали могат да използват CRISPR/Cas9 за лечение на заболявания на кръвта като сърповидно-клетъчна анемия и бета таласемия, както и наследствени очни заболявания.

Те също така разработват методи за възстановяване на гени в големи органи, като мозъка и мускулите.

Експериментите с животни показват, че специално разработените вируси могат да доставят генетичните ножици до желаните клетки, лекувайки лабораторни животни от опасни наследствени заболявания като мускулна дистрофия, гръбначна мускулна атрофия и болест на Хънтингтън. Въпреки това технологията се нуждае от допълнително усъвършенстване, преди да може да бъде приложена върху хора.

Силата на генетичните ножици изисква регулация

Въпреки всичките им предимства, с генетичните ножици може да се злоупотреби. Например този инструмент може да се използва за създаване на генетично модифицирани ембриони. От много години съществуват закони и разпоредби, които контролират прилагането на генното инженерство, включващи забрана за модифициране на човешкия геном по начин, който позволява промените да останат унаследени. Също така, експериментите, в които участват хора и животни, трябва винаги да бъдат преглеждани и одобрявани от етични комисии, преди да бъдат проведени.

Как ще се развие по-нататък приложението на метода на генетични ножици е неясно, но едно е сигурно - то ще засегне всички нас. Ще се изправим пред нови етични проблеми, но този нов инструмент може да допринесе за решаването на много от предизвикателствата, пред които е изправено човечеството.

Химическият инструмент, разработен от Емануел Шарпентие и Дженифър Даудна, открива нова епоха за науките за живота. Те отварят обширен хоризонт с непредвидим потенциал, а по пътя - изследвайки тази нова територия - гарантирано ще има нови и неочаквани открития.

Източник: Genetic scissors: a tool for rewriting the code of life, The Royal Swedish Academy of Sciences


Препоръчани материали

Няма коментари към тази новина !

 
Още от : Медицина
Всички текстове и изображения публикувани в OffNews.bg са собственост на "Офф Медия" АД и са под закрила на "Закона за авторското право и сродните им права". Използването и публикуването на част или цялото съдържание на сайта без разрешение на "Офф Медия" АД е забранено.