Точное редактирование генома вступает в новую эру

CRISPR вызвал ренессанс в редактировании генома. Теперь технологии CRISPR следующего поколения позволяют ученым модифицировать геном эффективнее и точнее, чем раньше. Такие инструменты однажды могут стать терапевтическими средствами, но многие проблемы остаются.

В январе на конференции в Палм-Спрингс, Калифорния, собрались ученые со всего мира, чтобы обсудить редактирование генома. Настроение было приподнятым, говорит Дэвид Лю, исследователь Медицинского института Говарда Хьюза (HHMI) в Гарвардском университете.

Всего три с половиной года назад Лю и коллеги опубликовали статью, описывающую первый "редактор оснований" (base editor) — инструмент, обещающий вывести технологию редактирования генома CRISPR на новый уровень. С его помощью ученые получили более эффективный и точный способ модифицировать геном. Такие редакторы могут исправлять однонуклеотидные мутации в ДНК — крошечные генетические "опечатки", лежащие в основе тысяч заболеваний человека, включая серповидноклеточную анемию.

Сегодня ученые опубликовали более 300 работ по этой технике, используемой в организмах от бактерий до коз. Теперь область приближается к клиническому применению. Уже есть успехи на животных:

• Команда Лю использовала редакторы оснований у мышей для коррекции генетической ошибки, вызывающей прогерию — редкое заболевание, характеризующееся быстрым старением.
• В другом исследовании, опубликованном 3 июня 2020 в Science Translational Medicine, инъекция редакторов оснований во внутреннее ухо мышей с генетической формой глухоты частично восстановила слух.

Однако многие препятствия остаются, включая обеспечение точности (редактирования только в нужном месте) и безопасной доставки редакторов в качестве терапии.

Как редакторы оснований изменяют геном?

Чтобы понять их работу, нужно начать с CRISPR. Эта технология, появившаяся в 2012 году, использует "направляющую" РНК, которая доставляет белковые "ножницы" Cas9 к нужному участку ДНК для его разрезания.

Лю и его постдок Алексис Комор задумались, как использовать CRISPR для точного редактирования отдельных "букв" ДНК (A, T, G, C) без ее разрезания. Их прорыв 2016 года заключался в слиянии модифицированной версии Cas9 с ферментом, способным перестраивать атомы. Получился гибридный белок — цитозиновый редактор оснований, который может конвертировать одну букву ДНК в другую (C в T или G в A). Год спустя команда разработала адениновые редакторы оснований, которые меняют A на G и T на C.

Можно ли поменять любую букву ДНК на любую?

Большинство редакторов оснований делают только определенные замены. Но более новый инструмент — "прайм-редакторы" (prime editors), представленные командой Лю около семи месяцев назад, — может делать больше. Они также используют Cas9, но слиты с другим ферментом, который может вставлять новый текст прямо в геном. Если Cas9 — это молекулярные ножницы, а редакторы оснований — карандаши, то прайм-редакторы — это молекулярные текстовые процессоры, выполняющие "поиск и замену".

Как можно использовать такие точные редакторы генома?

Существует более 75 000 генетических мутаций, связанных с болезнями человека. Около половины — это замены одной буквы ДНК. Две трети этих замен — это как раз те изменения, которые могут исправить редакторы оснований. Такие точечные мутации лежат в основе прогерии, различных метаболических расстройств, некоторых причин глухоты и слепоты. Прайм-редакторы предлагают еще больше гибкости, так как могут исправлять более крупные генетические сбои (например, делецию трех букв ДНК — наиболее частую причину муковисцидоза).

Пока оба типа редакторов находят применение в лабораториях (для модификации генов в культивируемых клетках) и в сельском хозяйстве. 16 марта 2020 в Nature Biotechnology группы исследователей из Китая и команда Лю сообщили об адаптации прайм-редакторов для использования в растениях.

Какие проблемы остаются перед терапевтическим использованием?

В прошлом году две группы исследователей из Китая в статьях в Science сообщили, что цитозиновые редакторы оснований в эмбрионах мышей и рисе иногда редактировали геном в неожиданных местах ("внецелевое редактирование"), что потенциально может вносить вредные мутации. (Адениновые редакторы оснований проблем не показали.)

В ответ в феврале в Nature Biotechnology команда Лю опубликовала решение: они разработали быстрый анализ для обнаружения ошибок и создали новое поколение цитозиновых редакторов оснований, которые делают в 10–100 раз меньше ошибок. Другие группы также сообщили о редакторах с очень низкой или необнаружимой внецелевой активностью. Работа по совершенствованию технологии продолжается.

Как можно доставить редакторы оснований в организм пациента?

Редакторы генома — это большие сложные молекулы. Один из методов доставки — использование вирусов, например, адено-ассоциированных вирусов (AAV), уже применяемых в нескольких одобренных FDA препаратах. Ученые также экспериментируют с липидными наночастицами и использованием электрических полей для ввода редакторов в клетки, которые затем можно трансплантировать пациенту.

Доставка остается серьезным препятствием, но потенциал редакторов генома огромен. Как отмечает Гуанпин Гао, президент Американского общества генной и клеточной терапии, "генная терапия сейчас переживает золотой век", а редакторы генома "открывают еще больше возможностей для лечения болезней".