Редактирование гена: как и зачем
Больную клетку можно заставить краснеть
Возможность редактирования генов будоражит умы людей и вызывает множество споров. Так что же представляет собой генное редактирование и какие перспективы открывает перед современной биологией и медициной?
Фото: Getty Images
Фото: Getty Images
Генетическая информация закодирована в виде текста, состоящего из сочетания четырех букв: А, Г, Т и Ц. Если на одну среднюю книжную страницу приходится 6 тыс. букв, то генетическая информация человека будет записана в книге, состоящей из миллиона страниц. Технологии редактирования генов позволяют изменять генетический «текст». Можно заменить одну или несколько букв в коде, или, наоборот, удалить лишние или вставить дополнительные буквы. Кроме того, можно вставить целые новые «главы» (трансгены), тем самым внося в геном живого объекта новый признак. Например, генные инженеры могут добавить в геном растений или животных ген устойчивости к определенным антибиотикам и токсинам, или ген, который кодирует флуоресцентный белок, благодаря чему трансгенный организм будет светиться при воздействии на него ультрафиолетом. Гены редактируют «молекулярными ножницами», например, широко известными инструментами CRISPR/Cas9 или TALEN, которые изначально были элементами системы защиты бактерий и растений от патогенов, а ученые адаптировали их для генетических манипуляций. Эти «молекулярные ножницы» могут вносить разрезы практически в любом месте «текста» генома. В местах разрезов как раз и происходят в дальнейшем вышеупомянутые текстовые корректировки.
Все это делается, конечно, не просто ради интереса или красоты, а имеет конкретную прикладную цель. Наиболее перспективно применение редактирования генов в сельском хозяйстве, например для создания ГМО-животных и растений с улучшенными признаками (больше мышечная масса и удои у скота, шампиньоны, которые не темнеют, пшеница со сниженным содержанием глютена и т. д.), и, что наиболее актуально, в биомедицине, о чем и пойдет речь.
Генное редактирование позволит лечить множество заболеваний человека, включая наследственные болезни, вирусные инфекции, а также онкологические заболевания. Некоторые технологии уже активно применяются в современной медицине. Так, с помощью инструмента CRISPR/Cas9 проводят терапию наследственных заболеваний крови, созданы иммунные клетки, борющиеся с раковыми клетками, ведутся активные исследования по лечению ВИЧ. Еще одной областью применения генного редактирования является создание животных и культур клеток, которые могут быть использованы в качестве модельных объектов в биомедицинских исследованиях. С помощью таких моделей можно тестировать новые лекарства и проводить детальные исследования различных биологических процессов в норме и при патологиях.
Сотрудники лаборатории эпигенетики развития Института цитологии и генетики СО РАН под руководством профессора, доктора биологических наук Сурена Закияна используют технологии генного редактирования для создания моделей наследственных заболеваний человека, а также трансгенных моделей на основе культивируемых клеток человека. Безусловно, моделирование в чашке Петри не может полностью отражать сложные процессы, происходящие на уровне целого организма. Однако преимущества таких клеток не стоит недооценивать. Во-первых, это клетки человека, что само по себе является главным достоинством таких моделей по сравнению с животными моделями. Во-вторых, их можно «нарабатывать / наращивать» в больших количествах по относительно низкой цене. И, в-третьих, редактировать гены на уровне клеток сравнительно проще и точнее, чем на уровне эмбрионов животных.
Лаборатория использует технологии редактирования генов в двух основных направлениях — создание изогенных и трансгенных клеточных культур. Изогенные клетки полезны для исследования мутаций, вызывающих наследственные заболевания. Такие клетки имеют абсолютно идентичный генетический «текст» и отличаются друг от друга только конкретной ошибкой — мутацией. Зачем нужны изогенные клетки? Одним из основных ограничений в биомедицинских исследованиях клеток человека от разных доноров является то, что геномы всех людей отличаются друг от друга однобуквенными заменами во многих генах. Эти замены могут оказывать значительный эффект на протекание того или иного заболевания. Например, у пациентов с одним и тем же наследственным заболеванием первые симптомы могут начать проявляться в разном возрасте. Кроме того, тяжесть протекания заболевания тоже может различаться. Отсутствие таких однобуквенных замен в геноме изогенных клеток позволяет исключить этот фактор и исследовать эффект исключительно мутации (как если бы у одного близнеца мутация была, а у другого идентичного близнеца ее не было).
Трансгенные клеточные культуры позволяют наблюдать и изучать различные процессы в клетках. Учеными из лаборатории уже созданы клетки с трансгенами, позволяющими детектировать окислительный стресс в клетках, вызванный увеличением уровня активных форм кислорода. В нормальных условиях здоровая клетка с трансгеном не светится. Однако если воздействовать на клетку какими-либо токсическими веществами или, например, клетка имеет мутацию, вызывающую болезнь Паркинсона, то в клетке запускаются патологические процессы и она краснеет. Затем можно добавить в питательную среду к клеткам лекарство-кандидат, и если клетки прекращают светиться, то можно делать вывод об эффективности лекарства. Кроме того, такой биосенсор позволяет отделить красные клетки от несветящихся и по отдельности изучать особенности двух популяций.
В уже обозримом будущем клетки, полученные с помощью технологии генного редактирования, войдут в незаменимый инструментарий исследований патологий человека с целью поиска конкретных генов-мишеней, воздействуя на которые можно точно остановить или предотвратить развитие патологии. Более того, эти клеточные модели станут «идеальной» платформой для широкомасштабного высокопроизводительного тестирования новых лекарственных соединений.