Какво представлява техниката CRISPR Research and Science News
Новата техника революционизира генното инженерство. Но дали молекулярните ножици CRISPR/Cas9 са толкова изгодни, колкото обещават?
Техниката за редактиране на гени CRISPR/Cas9 работи като селективни ножици, които с голяма точност и ефективност изрязват и модифицират всяка последователност на генома. Но винаги ли са надеждни? [iStock/vchal]
Генното инженерство изпитва тласък за обновяване. Десетилетие след проекта за човешкия геном, който не даде всички очаквани резултати, се появи техника, чиито възможности изглеждат безкрайни. CRISPR/Cas9, молекулярни ножици, които модифицират ДНК в избрани точки с безпрецедентна точност, пораждат нова надежда. Стратегията вече революционизира всички области на генното инженерство и се счита за безспорно, че нейните откриватели ще бъдат достойни за Нобелова награда. Методът обаче не е без проблеми. Нежеланите ефекти, които може да причини, техническите ограничения и етичните възражения представляват основни пречки пред редактирането на гени.
Как работи CRISPR/Cas9?
Техниката за редактиране на гени CRISPR/Cas9 се основава на сложна имунна система от бактерии, която ги предпазва от вируси. Това е придобит или адаптивен имунитет, който „помни“ ДНК последователностите на патогените от предишни атаки и отрязва тяхната ДНК в случай на нова инфекция.
Именно тази комбинация от разпознаване и рязане използва техниката CRISPR/Cas9. В най-простия вариант РНК, кодираща протеин, наречен Cas9, и последователност за разпознаване се инжектира в клетката. Клетката използва РНК, за да синтезира протеина, който се включва заедно с добавената РНК за разпознаване: Cas9 отрязва двуверижната ДНК точно там, където асоциираният РНК фрагмент му казва. Тъй като е възможно изкуствено да се синтезира всяка РНК последователност, такава комбинация дава възможност да се изреже всеки геном навсякъде, поне теоретично.
Така наречените CRISPR последователности, присъстващи в генетичния материал на бактериите, са известни от 80-те години на миналия век. Микробиологът Франсиско J. M. Mojica от Университета в Аликанте допринесе в основна част за тяхното откриване и именуване. Съкращението означава „редовно разположени клъстерирани кратки палиндромни повторения“, тоест повтарящи се къси палиндромни последователности, които са разделени от друг генетичен материал и които често се появяват в генома на определени места. Оказа се, че генетичният материал между повтарящите се последователности често идва от вируси, което ни позволява да заключим, че CRISPR съответства на система, която позволява на бактериите да се защитават срещу тях.
По-късно се забелязва, че всички бактерии с тази система са имали, в близост до CRISPR, свързани гени, които се наричат cas. Те представляват съществения елемент на антивирусната защита. Системата CRISPR на бактерията „добива“ вирусна ДНК и интегрира части от нея сред повтарящите се последователности на бактериалния геном. В резултат на това клетката произвежда РНК, допълваща вирусната ДНК, и я сглобява с Cas протеини. Ако вирус се опита да реинфектира клетката с тази ДНК, РНК „разпознава“ генома на вируса и след това протеините Cas го режат, за да не причинява отново щети.
Произходът на техниката за редактиране на гени се основава на откритието, че Cas протеините режат всяка ДНК, стига да са снабдени с подходяща РНК за разпознаване и това прави CRISPR/Cas9. След изрязването се разчита на естествените възстановителни механизми на клетката, които започват спонтанно.
Ако по това време са разделени само двете части на генома, се намесва клетъчен възстановителен механизъм, който ги свързва отново, въпреки че често е неточен и произвежда така наречените индели, малки ДНК фрагменти, които се вмъкват или елиминират в точката на рязане и че може да деактивира участващите гени. Когато обаче ДНК плава свободно в клетката с двата свободни края, се намесва друга по-точна система, наречена хомоложна рекомбинационна поправка (HDR), която ги свързва отново и води до специфични промени в генома.
Какви са етичните въпроси?
Експертите отдавна обсъждат основните етични проблеми, свързани с генетичната модификация при хората. Но до този момент дебатът беше чисто хипотетичен, тъй като процедурите бяха твърде груби и неточни, за да могат да ги превърнат сериозно в човешки изпитания. Но генното редактиране позволява по принцип да се въвеждат промени в генома с висока точност. Всъщност още през 2015 г. няколко китайски работни групи съобщиха, че използвайки метода CRISPR/Cas9, те са се опитали да елиминират някои наследствени заболявания от човешки ембриони. Понастоящем възстановяването на гени, причиняващи заболявания, е най-очевидното приложение при хората, тъй като никой не може да възрази срещу терапевтичните му цели.
Или всъщност да? Критиците се опасяват, че подобни процедури допълнително ще отложат дефиницията на "генетичен дефект", докато всички, освен най-необходимите генетични варианти, се считат за дефектни и поради това се нуждаят от поправка. По този начин дизайнерското бебе, направено по мярка, обект на много повече или по-малко полезни съображения относно етиката на модификациите в зародишната линия, ще се появи под предлог за излекуване.
Най-належащият проблем обаче не са възможните последици от дизайнерските бебета, а по-скоро последиците, които подобни експерименти ще имат с оглед на необикновено непълното познаване на действителните генетични ефекти. Изследванията за създаване на „персонализирано“ бебе могат да отнемат десетилетия, но не е ясно дали такова чакане ще възпира всички. Може би такива експерименти просто са забранени, тъй като през 2015 г. експериментите увеличават заразността на някои вируси.
Напротив, премахването на наследствените заболявания вече е на дневен ред. В някои случаи коригирането на отделен ген или може би на един алел вероятно ще бъде възможно скоро. Повечето експерти смятат, че тази опция е етично оправдана. Въпреки това, дори в този случай съществува риск намесата да има непредсказуеми дългосрочни последици, ако например коригираният ген се предаде на потомството и има ефекти върху тях, които никой не е очаквал. В последно време изненадващото съобщение на китайски изследовател, че е родил близнаци с генома, редактиран да ги предпазва от ХИВ, предизвика огромни противоречия.
Днес CRISPR/Cas9 и свързаните с него методи вече революционизират всички области, в които генетичната модификация може да представлява интерес. Редактирането на гени е по-лесно и по-точно от всяка друга техника, разработена досега. Но на първо място, трябва да е ясно какво се разбира под „генетично модифициран организъм“: дали е такъв с ген, модифициран от CRISPR/Cas9 на едно място? Или току-що е добавил нов вариант към естествения си генофонд? Е прасе без своите ендогенни ретровируси като всяко друго прасе?