Как инструменты CRISPR открывают новые пути борьбы с болезнями

Недавние прорывы в технологии редактирования генов приблизили к реальности идеи, которые всего десятилетие назад казались научной фантастикой.

Известная система CRISPR позволяет учёным редактировать дефектные гены, вырезая и заменяя участки ДНК. Однако новые усовершенствованные методы CRISPR превратили этот «скальпель» в «швейцарский нож». Эти инструменты дают исследователям более гибкий контроль над функцией генов без постоянного изменения генетического кода организма.

Эти универсальные инструменты помогают распутать сложную генетику таких заболеваний, как рак и аутоиммунные расстройства. Они могут выявить новые мишени для разработки лекарств или указать путь для генной терапии, которая однажды сможет воздействовать на генетические дефекты, связанные со слепотой или ожирением.

Основу этих новых методов, известных как CRISPR-dCas9, создали в 2013 году исследователи из UCSF Джонатан Вайсман, Стэнли Ци (ныне в Стэнфордском университете) и Венделл Лим.

Они взяли систему CRISPR, известную своей способностью находить и вырезать фрагменты ДНК, и мутировали белок Cas9, создав dCas9. Варианты, известные как CRISPRa (для активации) и CRISPRi (для интерференции), по-прежнему нацелены на гены, но могут «подключать» различные молекулярные инструменты для усиления или подавления экспрессии генов.

Лим, заведующий кафедрой клеточной и молекулярной фармакологии, сравнивает dCas9 с универсальным адаптером, который может распознавать любой ген через спаривание оснований ДНК, а затем модулировать этот ген с помощью белковых «насадок».

«CRISPR-dCas9 — это очень мощный способ доставить всё что угодно в любую часть генома», — сказал Александр Марсон, один из многих исследователей, внедривших новые инструменты в свою работу.

Усиление здоровых генов для лечения ожирения

В лаборатории Надава Ахитува исследователи показали на мышах, что можно исправить генетический дефект, вызывающий тяжёлое ожирение.

У здоровых мышей и людей есть две копии генов (по одной от каждого родителя). Дефект в одной копии, полностью отменяющий функцию гена (гаплонедостаточность), может привести к болезни. Например, мыши с одной дефектной копией определённого гена, участвующего в регуляции веса тела, склонны к перееданию и ожирению. Ахитув понял, что в этом случае есть возможность для потенциальной терапии: «Хитрость здесь в том, что у вас всё ещё есть существующая здоровая копия».

Его команда использовала CRISPRa, чтобы нацелиться и усилить здоровую копию гена, компенсируя её сломанного «близнеца». Они упаковали систему CRISPRa в вирусы для доставки в нейроны и ввели их мышам.

Леченные мыши перестали переедать и вскоре потеряли вес. Исследователи обнаружили нормальный уровень экспрессии целевого гена. Спустя девять месяцев мыши сохраняли нормальный вес. Поскольку нейроны не делятся, изменения могут сохраняться на протяжении всей жизни животного.

Гаплонедостаточность этого гена, связанного с ожирением, ответственна за небольшой процент случаев тяжёлого ожирения у людей. Учитывая высокий уровень ожирения в популяции США, даже этот небольшой процент представляет собой довольно много людей.

Его лаборатория сейчас изучает пять других заболеваний, вызванных гаплонедостаточностью, в частности неврологические и почечные заболевания, как кандидатов для терапии CRISPRa. Однако прежде чем метод можно будет испытать на людях, предстоит проделать большую работу.

Исследователи признают, что им предстоит преодолеть значительные трудности в переводе новых инструментов CRISPR в терапию для человека. Ключевыми будут безопасный и точный метод доставки, а также способ обеспечить долговечность генетических изменений.

Обнаружение скрытых «переключателей»

Даже несмотря на то, что эти новые инструменты CRISPR указывают на новые пути для генной терапии, они уже открывают поле для других методов лечения, раскрывая сложные генетические взаимодействия, лежащие в основе болезней.

Самый быстрый результат может быть в идентификации новых терапевтических мишеней, считает Брюс Конклин, который использует CRISPRi и родственные техники в своих исследованиях.

«Сила этих методов — в возможности тестировать тысячи различных лекарственных мишеней в одном эксперименте. Это уже помогло получить зацепки для потенциально полезных лекарств».

По оценкам, 98% нашей ДНК не кодирует белки, а действует как коммутатор для оставшихся 2%. Эти так называемые промоторы и энхансеры могут быть загадочными, и их изучение традиционными генетическими методами требует много времени.

С помощью CRISPRa лаборатория Марсона может быстро просканировать более 20 000 некодирующих участков генома и изучить их функцию — по сути, переключая множество «выключателей» и наблюдая, какие из них «включают свет». «Это критически важный шаг в определении функциональной значимости генетических элементов».

В недавнем скрининге с CRISPRa лаборатория Марсона в сотрудничестве с лабораторией Джейкоба Корна в UC Berkeley идентифицировала несколько энхансеров, связанных с воспалением и аутоиммунными расстройствами. Фактически, один из вновь обнаруженных энхансеров совпал с распространённым генетическим вариантом, известным своим свойством повышать риск воспалительного заболевания кишечника, хотя ранее его механизм оставался загадкой.

Лим наблюдал, как методы CRISPR-dCas9, в создании которых он участвовал, всего за несколько лет распространились по исследовательским лабораториям мира. Согласно PubMed, с 2013 по конец 2015 года 49 статей включали термин dCas9 в заголовок или аннотацию. С 2016 по июнь 2018 года этот же термин цитировался в 242 статьях — рост почти в пять раз.

«Поразительно, как быстро эта технология распространилась всего за несколько лет, — сказал Лим. — Это говорит о том, насколько гибкой является её простая основная концепция».