Режем по живому: Как отредактировать геном животных и человека?

Мы привыкли говорить об иммунитете, как о способности организма человека противостоять бактериям и вирусам. Тем не менее, не только людям приходится сражаться с патогенами. Оказывается, у бактерий есть собственные вирусы – бактериофаги. Они внедряются в бактерий, размножаются внутри них и постепенно убивают своих носителей. В ходе эволюции бактерии выработали противовирусное оружие – систему CRISPR/Cas. Изучив механизмы работы этой бактериальной системы, ученые разработали на её основе уникальный метод редактирования геномов животных, а, возможно, в скором времени, научатся редактировать и геномы людей.

Что такое CRISPR, и что такое Cas?

В ходе борьбы с такими вирусами бактерии обрели способность запоминать врага. Столкнувшись с нападением вируса, некоторые бактерии вырабатывали белки, которые позволяли вырезать   кусочки фагового генома и встраивать в свою собственную ДНК. Такие "фотографии" вражеских геномов по-научному называют спейсерами.

Выжив после вирусной атаки, бактерия размножалась, какие-то её "потомки" гибли, а другие отбивали нападение очередного вируса, и вновь сохраняли "опознавательный" кусочек его ДНК. Всё это длилось тысячелетиями, благодаря чему у любой ныне живущей бактерии есть своеобразная "картотека" всех опасных для неё вирусов. Благодаря наличию спейсеров, бактерии «помнят» о том, с какими вирусами они уже сталкивались и могут эффективней противостоять им в ходе повторных заражений. 

Остановимся подробнее на механизме встраивания спейсеров (тех самых кусочков вражеского генома). Оно происходит в строго определенное место, так называемую CRISPR-кассету (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats). CRISPR-кассета представляет собой участок в геноме бактерий, состоящий из коротких повторяющихся фрагментов ДНК, разделенных, собственно, спейсерами (см. Рисунок 1).

БИЛЬД: РИСУНОК 1

Обычно в непосредственной близости к локусу (определённому месту) CRISPR в геноме бактерий располагаются гены cas. Эти гены кодируют белки, необходимые как для захвата новых спейсеров, так и для борьбы с вирусами. Согласно последней классификации, выделяют 5 типов CRISPR-Cas систем. Их объединяет схожий принцип работы, тогда как отдельные механизмы и состав генов cas варьируется.

Для чего это нужно? И как это работает в бактериях?

При нападении на любую бактерию очередного вируса она строит копии всех хранящихся в её "картотеке" опознавателей-спейсеров. Каждая CRISPR-кассета бактерии содержит множество спейсеров. Но, в конечном счёте, на её основе получаются отдельные короткие молекулы РНК, содержащие всего лишь по одному спейсеру (crРНК).

Такие молекулы РНК, как мы уже сказали выше, потенциально способны узнавать уникальные участки в ДНК вируса за счёт образования Уотсон-Криковских пар между комплиментарными нуклеотидами – гуанином-цитозином и аденином-тимином (урацилом) – элементарными кирпичиками генетической информации. Каждая crРНК образует комплекс с Cas белками, который и отправляется на поиски вражеского генома (см. Рисунок 1). Белки Cas при этом играют роль своеобразных «ножниц». Если какой-то «опознаватель» найдет в чужеродной вирусной ДНК подобный себе кусок, то тут же прикрепит весь комплекс к этому месту, а «ножницы» разрежут её, вызывая деградацию, прекращая размножение вируса и предотвращая гибель бактерии.

 crРНК синтезируется на основе CRISPR-кассеты. Поэтому логично предположить, что между crРНК и CRISPR-кассетой также возможно образование Уотсон-Криковских пар, ибо они по определению содержат комплиментарные нуклеотиды. Возникает вопрос: почему же клетка не погибает от собственного оружия?  Оказывается, когда Cas белки захватывают новые спейсеры, они выбирают только те участки вирусного генома, которые граничат с особыми последовательностями. Эти последовательности называются PAM. Сами PAM не встраиваются в CRISPR-кассету. Именно наличие PAM в геноме вирусов и их отсутствие в CRISPR-кассете позволяют отличить «своё» от «чужого».