CRISPR: новый инструмент для манипуляции с генами

Недавно ученые нашли новый захватывающий инструмент для разработки ДНК. Система CRISPR не имеет ничего общего с тем, чтобы ваши овощи были свежими в холодильнике. Это аббревиатура новейшей системы для манипулирования геномной ДНК практически у любого животного. Исследователи смогли выбить или уничтожить гены, подавить экспрессию генов и улучшить регуляцию генов, чтобы увеличить экспрессию с помощью технологии CRISPR.

Это очень гибкий метод, который исследователи могут использовать, чтобы легко изменить выражение генов, чтобы лучше понять их функцию.

Что такое CRISPR?

CRISPR означает Clustered Regular-Interspaced Short Palindromic Repeats - невероятно скучное название для захватывающей технологии. Почему это утомительное имя? Это связано с тем, что, когда они были впервые обнаружены в конце 1980-х годов в бактериях, никто не знал, для чего нужны короткие участки повторной ДНК, разделенные случайными последовательностями ДНК. Они были лишь некоторой странной особенностью в геномной ДНК некоторых бактерий.

Прошло почти 20 лет, пока Дженнифер Дудна из Калифорнийского университета не выяснила, что эти последовательности соответствуют части определенной вирусной ДНК, которая заражает бактерии. Как оказалось, последовательности CRISPR были своего рода иммунной системой для бактерий.

Как работает CRISPR?

Doudna и ее соавтор, Emmanuelle Chapentier, в конечном итоге выяснили, что при заражении вирусом бактерии, у которых были эти короткие повторяющиеся фрагменты ДНК, которые соответствовали вирусной ДНК, использовали их для создания РНК, связывающейся с ДНК вируса вторжения ,

Затем вторая часть РНК, полученная из случайной ДНК, которая отделяла повторы CRISPR, взаимодействовала с белком под названием Cas9. Этот белок будет расщеплять вирусную ДНК и инактивировать вирус.

Исследователи быстро поняли, что могут использовать эту способность CRISPR, чтобы вырезать отдельные последовательности ДНК, чтобы выбить гены.

Несмотря на то, что существуют другие методы, такие как нуклеаны цинкового пальца и TALENS, которые могут использоваться для нацеливания и сокращения конкретных мест в геномной ДНК, эти подходы полагаются на громоздкие белки для нацеливания на чередование определенных областей ДНК. Трудно разработать и провести модификацию в больших масштабах с большим количеством генов, используя эти более ранние подходы.

Что делает CRISPR настолько полезным?

Система CRISPR основывается только на двух коротких фрагментах РНК: одной, которая соответствует целевой области ДНК, а вторая, которая связывается с белком под названием Cas9. Фактически, однако, оказывается, что обе эти короткие фрагменты РНК могут быть объединены в двухфункциональную молекулу с одним гидом , которая как нацелена на определенную последовательность ДНК, так и рекрутирует белок расщепления Cas9.Это означает, что белок Cas9 и один короткий фрагмент РНК, который составляет 85 оснований, - это все, что необходимо для резания ДНК почти в любом месте генома. Сравнительно просто вводить ДНК для получения однонаправленной РНК и белка Cas9 практически для любых клеток, делающих CRISPR общеприменимым.

Однако удобный таргетинг - это не единственное преимущество технологии CRISPR над другими TALENS и пальцами цинка. Система CRISPR также намного эффективнее, чем эти альтернативные подходы.

Например, группа в Гарварде обнаружила, что CRISPR удалил целевой ген в 51% -79% случаев, тогда как эффективность TALENS была менее 34%. Благодаря этой высокой эффективности другая группа смогла использовать технологию CRISPR для непосредственного выбивания генов у эмбриональных мышей с целью получения трансгенных мышей в одном поколении. Для стандартного подхода требуется несколько поколений размножения, чтобы получить мутацию в обеих копиях целевого гена.

Что еще может сделать CRISPR?

В дополнение к удалению гена некоторые группы также поняли, что с несколькими чередованием система может использоваться для других видов генетической манипуляции. Например, в начале 2013 года группа из Массачусетского технологического института показала, что CRISPR можно использовать для вставки новых генов в геномную ДНК. Вскоре после этого группа в UCSF использовала модифицированную версию системы, получившую название CRISPRi, чтобы подавить экспрессию генов-мишеней у бактерий.

Совсем недавно группа в Университете Дьюка также установила вариацию системы для активации наборов генов. Несколько групп также теперь работают с вариациями этих подходов для одновременного скрининга большого количества генов, чтобы выяснить, какие из них связаны с различными биологическими ответами.

Блестящая новая игрушка генной инженерии

Безусловно, существует огромное возбуждение в отношении этого нового инструмента для генной инженерии и спешки, чтобы применить его для самых разных применений. Тем не менее, все еще есть некоторые проблемы, которые необходимо преодолеть, и, как это часто бывает с новыми технологиями, требуется некоторое время, чтобы определить, где эти ограничения. Исследователи из Гарварда, например, обнаружили, что таргетинг на CRISPR может быть не таким точным, как первоначально предполагалось. Эффекты, не связанные с мишенью CR9PR, могут привести к непреднамеренным изменениям при изменении ДНК. Несмотря на трудности, CRISPR, очевидно, продемонстрировал огромный потенциал для облегчения изменения геномной ДНК, который поможет исследователям быстрее понять, как функционируют десятки тысяч генов в геноме человека. Это само по себе имеет важные последствия для улучшения лечения и диагностики заболеваний. Кроме того, при дополнительной разработке сама технология может быть полезна для нового типа терапевтических средств. Он может обеспечить новый подход к генной терапии. Тем не менее, эти авансы - это отходы. Пока просто интересно наблюдать за быстрым развитием этого нового исследовательского инструмента и думать о типах экспериментов, которые он может позволить.

(Добавлено: 30 сентября 2013 г.)