Мощный инструмент генной инженерии: новые возможности системы CRISPR-Cas

Вирусы заражают не только людей, но и бактерий. Бактерии защищаются с помощью своего рода «иммунной системы», которая, упрощенно, состоит из специфических последовательностей в их генетическом материале и подходящего фермента. Она распознает чужеродную ДНК (например, вирусную), разрезает ее и обезвреживает захватчиков. Ученые из Центра исследования инфекций имени Гельмгольца (HZI) в Брауншвейге показали, что фермент Cas9, направляемый двумя РНК и участвующий в этом процессе, независимо развился в различных штаммах бактерий. Это расширяет потенциал использования бактериальной иммунной системы для генной инженерии.

Иммунная система с загадочным названием «CRISPR-Cas» (CRISPR — короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами; Cas — CRISPR-ассоциированный белок), открытая лишь в последние годы, привлекает внимание генетиков и биотехнологов как многообещающий инструмент. Эволюция этой молекулы шла независимо в многочисленных штаммах бактерий. Это показали профессор Эмманюэль Шарпантье и ее коллеги из HZI, опубликовавшие результаты в международном открытом журнале Nucleic Acids Research.

Система CRISPR-Cas ценна не только для бактерий, но и для лабораторной работы. Она находит конкретную последовательность букв в генетическом коде и разрезает ДНК в этой точке. Это позволяет ученым удалять или добавлять гены в месте разреза. Так можно, например, выводить растения, устойчивые к вредителям или грибкам. Существующие технологии, выполняющие то же самое, часто дороги, трудоемки или менее точны. Новый метод, в отличие от них, быстрее, точнее и дешевле, так как требует меньше компонентов и может нацеливаться на более длинные последовательности генов.

Кроме того, система более гибкая: небольшие изменения позволяют адаптировать технологию к разным задачам. «CRISPR-Cas — очень мощный инструмент для генной инженерии», — говорит Эмманюэль Шарпантье, пришедшая в HZI из Умео и получившая в 2013 году престижную профессуру имени Гумбольдта. Ученые проанализировали и сравнили фермент Cas9 и направляющие его к специфическому участку ДНК двойные tracrRNA-crRNA в различных штаммах бактерий. Результаты позволили классифицировать белки Cas9 из разных бактерий по группам. Внутри этих группы системы CRISPR-Cas взаимозаменяемы, чего нельзя сделать между разными группами.

Это открывает новые пути использования технологии в лаборатории: ферменты можно комбинировать, чтобы одновременно вносить в ДНК-мишень множество изменений. Это может привести к созданию новых методов терапии генетических заболеваний, вызванных разными мутациями в ДНК пациента. Кроме того, метод можно использовать для борьбы с вирусом иммунодефицита человека (ВИЧ), который для заражения использует рецептор иммунных клеток. С помощью CRISPR-Cas ген этого рецептора можно удалить, сделав пациентов невосприимчивыми к вирусу. Однако до достижения этой цели еще далеко.

Эти примеры показывают огромный потенциал технологии CRISPR-Cas. «Некоторые мои коллеги уже сравнивают ее с ПЦР», — говорит Шарпантье. Метод полимеразной цепной реакции (ПЦР), разработанный в 1980-х годах, позволяет «копировать» нуклеиновые кислоты, многократно увеличивая малые количества ДНК для биохимического анализа. Без этой прорывной технологии многие рутинные сегодня эксперименты были бы невозможны.

Изначально Шарпантье не искала новые молекулярные методы. «Мы искали новые мишени для антибиотиков. Но нашли нечто совершенно иное», — говорит она. В науке это не редкость: некоторые важнейшие открытия были сделаны случайно или попутно.