scinquisitor (scinquisitor) wrote,
scinquisitor
scinquisitor

Category:

CRISPR/Cas9 и генная инженерия эмбрионов человека

Сейчас все обсуждают новость о том, что в Великобритании разрешили ставить опыты по генетической модификации человеческих эмбрионов (пока без последующего выращивания из них детей). Про эту новость подробно написал образовательный ресурс N+1, поэтому повторять детали события я не буду, а лучше расскажу про саму науку. Про то, как изменились наши возможности редактирования ДНК за последние несколько лет.

Впервые редактирование ДНК эмбриона человека осуществили в прошлом году исследователи из Китая. Для редактирования ДНК использовалась элегантная технология, за которую непременно дадут Нобелевскую премию, – CRISPR/Cas9.

Эту биотехнологию, как это часто бывает, ученые позаимствовали у природы. В данном случае у некоторых бактерий, у которых CRISPR/Cas9 играет важную роль в распознании и уничтожении вирусов. У этих бактерий в ДНК есть что-то вроде пополняемой базы данных фрагментов вирусных последовательностей (очень похоже на то, как работают многие компьютерные антивирусные программы). Бактерии синтезируют многочисленные РНК копии сохраненных вирусных фрагментов, а белок Cas9 использует эти копии для того, чтобы находить настоящих вирусных захватчиков и разрезать их (Рисунок 1), как полиция определяет преступников, сверяясь с фотографиями или отпечатками пальцев.

Молекула РНК, которая указывает белку Cas9 на вирус, который нужно разрезать, называется путеводной (Guide RNA, рисунок 2), а принцип узнавания ужасно прост – это принцип комплементарности, тот же самый, который отвечает за образование двойной спирали в молекуле ДНК, где напротив нуклеотида А всегда стоит нуклеотид Т, а напротив G стоит C (Рисунок 2).

Не составляет труда подсунуть белку Cas9 искусственно спроектированную путеводную РНК, такую, чтобы направить его на разрезание практически любой заданной последовательности ДНК, в том числе и человеческой. Или ДНК вирусов, пытающихся человека заразить. В случае с вирусами – создание разрезов в их ДНК является самоцелью, способом защиты от инфекции. В случае с редактирование ДНК человека или другого организма, точный разрез нужен для последующей точной вставки какого-нибудь полезного гена (Рисунок 3).


Сегодня CRISPR/Cas9 используют для редактирования ДНК разнообразных организмов и даже возникают идеи, что частично пересадив эту систему бактериального иммунитета человеку или другому организму, мы сможем добавить новый уровень защиты от патогенов. В 2015 году в журнале Genome Biology вышла статья, авторы которой перенесли этот механизм иммунитета в растение, родственное табаку, защитив его от некоторых вирусов. Тем временем, на изолированных человеческих клетках было показано, что данный подход, позволяет направленно вырезать встроенные в хромосомы ДНК-копии вируса иммунодефицита человека (ВИЧ).

Вполне вероятно, что именно с помощью CRISPR/Cas9 мы когда-нибудь окончательно победим ВИЧ, о чем подробней я рассказываю в книге «Сумма биотехнологии».

В упомянутой работе китайских ученых было отмечено, что часто редактирование ДНК с использованием CRISPR/Cas9 происходило в нежелательных местах, а значит, прежде чем мы сможем создавать генетически модифицированные эмбрионы человека, технологию нужно существенно доработать. Из этических соображений мы не можем допустить, чтобы рождались дети-инвалиды с мутациями, случайно внесенными технологией.

Именно поэтому так важно, что с момента, как китайские ученые начали свое исследование по генной инженерии эмбрионов, наука сильно шагнула вперед и точность редактирования ДНК с использованием CRISPR/Cas9 выросла на порядки.

Как я описывал ранее (в том числе и в книге), появилась статья про новую мутантную форму белка Cas9, в 25 раз более специфичную, чем та, что была исходна обнаружена у бактерий. Кроме того, было найден биохимический метод воздействия на клетки, увеличивающий эффективность редактирования генома с помощью Cas9 в 17 раз. Были обнаружены гены, временно выключая которые, удается повышать эффективность редактирования генома в 8 раз. Еще две группы ученых получили мутантный белок Cas9, который редактирует ДНК только после активации светом, что имеет свои интересные применения.

Но я еще не писал о том, что в этом году в журнале Nature вышла статья, авторы которой утверждают, что разработали вариант Cas9 под названием SpCas9-HF1, который уже совсем не делает ошибок или делает их так мало, что обнаружить их современными методами анализа ДНК затруднительно.

Ранее появились удивительные ухищрения, позволяющие увеличить точность редактирования ДНК с использованием CRISPR/Cas9. При одном из таких подходов ДНК-мишень узнавалась не одним белком Cas9 с направляющей РНК, а одновременно двумя умышленно «испорченными» Cas9 с разными направляющими РНК. Направляющая РНК распознает участок ДНК длиной примерно в 20 нуклеотидов (т.е. букв A, T, G,C), но для разреза не всегда требуется полное совпадение, поэтому в геноме человека, в котором имеется 3 миллиарда нуклеотидов, может случайно найтись несколько участков, похожих на предполагаемое место разреза (что приведет к ошибкам). Упомянутые «испорченные» белки Cas9 не разрезают две цепочки ДНК, как обычно, а только одну из двух, поэтому разрез легко исправляется клеткой и только если два таких белка одновременно узнают два соседних участка ДНК, разрез пройдется по двум цепям (Рисунок 4).


Совсем радикальный метод заключается в том, что белок Cas9 можно «испортить» еще больше, чтобы он вовсе не мог разрезать ДНК, но по-прежнему мог распознавать специфические участки, используя путеводную РНК. К таким испорченным версиям Cas9 с использованием генной инженерии приделываются половинки фермента, который умеет разрезать определенную последовательность ДНК. Теперь для разрезания ДНК необходимо еще больше условий: два белка Cas9 с разными путеводными РНК должны узнать два соседних участка, расположенных на таком фиксированном расстоянии, чтобы две половинки фермента образовали целый фермент, который еще должен узнать специфичное для него место потенциального разреза (Рисунок 5). Случайно такое произойти практически не может.


Скоро мы научимся редактировать ДНК абсолютно точно, с первой попытки и с высокой эффективностью и тогда станет возможным практическое применение генной инженерии для создания генетически модифицированных (дизайнерских) детей. С развитием наших знаний о генетике человека, в будущем можно будет устранять даже малые генетические дефекты, задавать желаемый цвет глаз или волос, улучшать физические и умственные способности людей.

В конце прошлого года в журнале Science была опубликована работа, авторы которой вылечили мышей, страдающих наследственной формой мышечной дистрофии с помощью CRISPR/Cas9. Это еще одно важное применение технологии – генная терапия, позволяющая лечить от генетических заболеваний даже взрослые организмы. Генная терапия имеет применение в лечении не только наследственных заболеваний, но и рака, ведь мы умеем создавать специальные генетически модифицированные клетки иммунной системы, выискивающие клетки некоторых злокачественных опухолей.

Наконец, еще одна группа исследователей получила с помощью Cas9 генетически модифицированные сперматозоиды (пока что крыс). Если нам удастся перенести данную технологию на людей, то мы сможем создавать генетически модифицированное потомство, не вмешиваясь в развитие эмбрионов, что снимет часть этических вопросов.

Все вышесказанное – важнейшие этапы на пути к «автоэволюции», о которой писал писатель, футуролог и фантаст Станислав Лем. Автоэволюция – это когда жестокий, но естественный отбор, двигающий эволюцию путем устранения неприспособленных особей, постепенно заменяется на «разумный замысел», при котором организмы улучшаются без лишних жертв, а еще лучше: при жизни. Мы живем в мире стремительного прогресса, но самое удивительное, что скоро меняться начнем и мы. Пора готовиться!

P.S. Недавно ученые сняли как ДНК разрезается белком Cas9 на видео.




Прикладываю список научных статей, в которых изложены упомянутые научные открытия:


  1. Pourcel C et al: CRISPR elements in Yersinia pestis acquire new repeats by preferential uptake of bacteriophage DNA, and provide additional tools for evolutionary studies. Microbiology 2005, 151(Pt 3):653-63.

  2. Mojica FJ et al: Intervening sequences of regularly spaced prokaryotic repeats derive from foreign genetic elements. J Mol Evol 2005, 60(2):174-82.

  3. Bolotin A et al: Clustered regularly interspaced short palindrome repeats (CRISPRs) have spacers of extrachromosomal origin. Microbiology 2005, 151(Pt 8):2551-61.

  4. Makarova KS et al: A putative RNA-interference-based immune system in prokaryotes: computational analysis of the predicted enzymatic machinery, functional analogies with eukaryotic RNAi, and hypothetical mechanisms of action. Biol Direct 2006, 1:7.

  5. Barrangou R et al: CRISPR provides acquired resistance against viruses in prokaryotes. Science 2007, 315(5819):1709-12.

  6. Jinek M et al: A programmable dual-RNA-guided DNA endonuclease in adaptive bacterial immunity. Science 2012, 337(6096):816-21.

  7. Jinek M et al: RNA-programmed genome editing in human cells. Elife 2013, 2:e00471.

  8. Wang H et al: One-step generation of mice carrying mutations in multiple genes by CRISPR/Cas-mediated genome engineering. Cell 2013, 153(4):910-8.

  9. Liang P et al: CRISPR/Cas9-mediated gene editing in human tripronuclear zygotes. Protein Cell 2015, 6(5):363-72.

  10. Ran FA et al: Double nicking by RNA-guided CRISPR Cas9 for enhanced genome editing specificity. Cell 2013, 154(6):1380-9.

  11. Tsai SQ et al: Dimeric CRISPR RNA-guided FokI nucleases for highly specific genome editing. Nat Biotechnol 2014, 32(6):569-76.

  12. Guilinger JP et al: Fusion of catalytically inactive Cas9 to FokI nuclease improves the specificity of genome modification. Nat Biotechnol 2014, 32(6):577-82.

  13. Davis KM et al: Small molecule-triggered Cas9 protein with improved genome-editing specificity. Nat Chem Biol 2015, 11(5):316-8.

  14. Maruyama T et al: Increasing the efficiency of precise genome editing with CRISPR-Cas9 by inhibition of nonhomologous end joining. Nat Biotechnol 2015, 33(5):538-42.

  15. Chu VT et al: Increasing the efficiency of homology-directed repair for CRISPR-Cas9-induced precise gene editing in mammalian cells. Nat Biotechnol 2015, 33(5):543-8.

  16. Hemphill J et al: Optical Control of CRISPR/Cas9 Gene Editing. J Am Chem Soc 2015, 137(17):5642-5.

  17. Nihongaki Y et al: Photoactivatable CRISPR-Cas9 for optogenetic genome editing. Nat Biotechnol 2015.

  18. Chapman KM et al: Targeted Germline Modifications in Rats Using CRISPR/Cas9 and Spermatogonial Stem Cells. Cell Rep 2015, 10(11):1828-35.

  19. Tebas P et al: Gene editing of CCR5 in autologous CD4 T cells of persons infected with HIV. N Engl J Med 2014, 370(10):901-10.

  20. Ebina H et al: Harnessing the CRISPR/Cas9 system to disrupt latent HIV-1 provirus. Sci Rep 2013, 3:2510.

  21. O'Connell MR et al: Programmable RNA recognition and cleavage by CRISPR/Cas9. Nature 2014, 516(7530):263-6.

  22. Kleinstiver et al: High-fidelity CRISPR–Cas9 nucleases with no detectable genome-wide off-target effects. Nature 2016, 529, 490-495.

  23. Nelson et al: In vivo genome editing improves muscle function in a mouse model of Duchenne muscular dystrophy. Science, 2015.

  24. Ali et al: CRISPR/Cas9-mediated viral interference in plants. Genome Biol. 2015; 16: 238.


Tags: ГМО, биология, обзор
Subscribe

  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic
  • 148 comments
Previous
← Ctrl ← Alt
Next
Ctrl → Alt →
Очень интересно. Это так же может однако иметь и негативные стороны...


Ждём вопли верующих и прочих сентиментальных личностей.
Мне кажется, верующие не поймут, в чём суть.
А какие негативные стороны возможны при применении данной технологии, интересно?

antoschka_smtrt

5 years ago

scinquisitor

5 years ago

antoschka_smtrt

5 years ago

once_again_abc

5 years ago

antoschka_smtrt

5 years ago

antontsau

5 years ago

the_toad

5 years ago

antontsau

5 years ago

mrclon

5 years ago

scinquisitor

5 years ago

scinquisitor

5 years ago

antoschka_smtrt

5 years ago

scinquisitor

5 years ago

cn_mangetsu

5 years ago

oxyowl

5 years ago

Насколько я понимаю, модификация ДНК половых клеток и эмбрионов это дело очень далёкого будущего. По меньшей мере, в итоговом документе последней конференции по редактированию человеческого генома оговорено, что такое вмешательство требует "broad societal consensus about the appropriateness of the proposed application", то есть условия практически невыполнимого.

Примечательно, что эту китайскую статью 2015 года отвергли и в Nature, и в Science в частности из-за (по утверждению главного автора) "ethical objections". Оба журнала, конечно, хранят по этому поводу молчание.
я думаю, что некоторые страны все-таки забьют на это и там будет очень бурный рост технологий. А другие будут сосать лапу)

cyaness

5 years ago

once_again_abc

5 years ago

cyaness

5 years ago

once_again_abc

5 years ago

astralbody

5 years ago

threeeyedfish

5 years ago

oxyowl

5 years ago

молодцы англо-саксы! нужно помогать матушке-природе, нехрен ждать пока эта эволюция прочухается через миллионы лет - весело пожить хочется прямо сейчас, сегодня.
Ещё фашистскую Германию за эксперименты на людях похвалите!

scinquisitor

5 years ago

antontsau

5 years ago

user_ami

5 years ago

oxyowl

5 years ago

Deleted comment

fugushka

5 years ago

Deleted comment

Похоже на то, по крайней мере отчасти. А что за человек?)

Deleted comment

Sergey Shershenkov

5 years ago

xuxicheta

5 years ago

fossa_s

5 years ago

Deleted comment

fossa_s

5 years ago

scinquisitor

5 years ago

fossa_s

5 years ago

scinquisitor

5 years ago

fossa_s

5 years ago

scinquisitor

5 years ago

fossa_s

5 years ago

scinquisitor

5 years ago

fossa_s

5 years ago

scinquisitor

5 years ago

fossa_s

5 years ago

scinquisitor

5 years ago

fossa_s

5 years ago

oxyowl

5 years ago

fossa_s

5 years ago

scinquisitor

5 years ago

oxyowl

5 years ago

zwilling

5 years ago

scinquisitor

5 years ago

fossa_s

5 years ago

Здравствуйте.

Вы описали технологию редактирования ДНК.

А как эту отредактированную ДНК потом "заселяют" в эмбрион?

Вы так же упомянули вылеченных от дистрофии мышей. Как там переносили отредактированную ДНК ? Вирусом ?

Какие есть методики переноса? Какова точност ь таких методов ?
В работе про мышей, задача была не в том, чтобы что-нибудь внести, а чтобы вырезать небольшой фрагмент ДНК из одного гена. Фрагмент этот содержал ошибку, которая портит белок, но если все место с ошибкой убрать, то ген работает нормально и белок получается функциональный .

Остается задача внести в клетки только саму CRISPR/Cas9 систему. Это делается на живом организме с использованием вирусов. Вирусы вносят в клетку CRISPR/Cas9, а та вырезает фрагмент ДНК и тем самым устраняет генетический дефект.

Какова точность этого вырезания из работы не понятно, но в принципе как этой работе применимы все те другие наработки о повышении точности CRISPR/Cas9 про которые я писал в статье.

Теперь что касается эмбриона - редактирование происходит в самом эмбрионе. Точность встраивания вставок зависит от точности разрезов. Сама вставка делается благодаря, так называемой, гомологичной рекомбинации - обмену фрагментами между похожими участками ДНК. И тут можно сделать довольно высокую точность, чтобы вставка произошла только в нужно месте т.к. края вставки должны быть комплементарны краям разреза.
и востанут дети на родителей и убьют их"" (из нового завета).... всё предсказано 2000 лет назад
А каким образом из генной инженерии вытекает отцеубийство, можно спросить?

darth_malachi

5 years ago

alekoksan

5 years ago

будут созданы "супер" люди которые уничтожат "недолюдей" например.
Зачем?
Изучите вопрос. Не общими.
Вы, когда кому-нибудь отвечаете, жмите "ответить" под комментарием, на который отвечаете, а не под постом.

kot_gray

4 years ago

fazer333

4 years ago

kot_gray

4 years ago

fazer333

4 years ago

fazer333

4 years ago

Deleted comment

ничо. нас ещё 7 милиардов есть
Не очень понятны принципы проектирования путеводных РНК.
Я так понял, что в природе получается так: бактерию «атакуют» вирусы, оставляя в ней фрагменты своей РНК. Эти фрагменты РНК используются белком Cas9, чтобы распознавать вирусы, имеющие такие же фрагменты. Тут все более-менее ясно.
Теперь, предположим, что у нас есть ВИЧ, и мы знаем его полную РНК-последовательность. Как нам выделить из нее такой фрагмент, чтобы Cas9 мог эффективно распознавать вирус, но при этом не было вредных ложноположительных срабатываний?
В принципе, РНК можно синтезировать искусственно. Процесс это довольно муторный (там с защитами ебаться надо), но, поскольку РНК состоит из типовых элементов, этот процесс можно автоматизировать.

red_void

5 years ago

scinquisitor

5 years ago

the_toad

5 years ago

aba

5 years ago

the_toad

5 years ago

tolya99

5 years ago

the_toad

5 years ago

tolya99

5 years ago

cn_mangetsu

5 years ago

the_toad

5 years ago

cn_mangetsu

5 years ago

the_toad

5 years ago

Не помню спамил уже или нет, собираю понемногу идеи для первоначальной автоэволюции https://github.com/worldmind/ugly-human
Неплохо ;) Я тоже много думаю на эту тему)
Можете после менструаций добавить еще и непроизвольную овуляцию и эякуляцию.

И после девственности убрать знак вопроса.

Нелишним был бы надежный (механический) механизм защиты от изнасилований, желательно, неподконтрольный сознанию чтобы нельзя было принудить его отключить (например, может регулироваться чувством страха и отвращения).

Я бы еще сделала рост ногтей более регулируемым. Мало того, что их постоянно нужно стричь, так еще и куча проблем возникает если это делать "неправильно" (напр. врастающий ноготь).

И еще вы упустили одну важную проблему :) Это необходимость гигиенических процедур после отправления естественных потребностей. Например, твердые отходы можно было бы упаковывать в герметичную не имеющую запаха слизистую капсулу. А проблем с выделением жидких можно было бы избежать, если бы во время их выделения слизистая оболочка мочетока выворачивалась наружу а по завершению процедуры втягивалась бы обратно.

"29. Пот - меньше вонять? Иной способ отвода тепла? Переиспользовать? Не бояться высокой температуры?"
Проблема неприятного запаха пота не совсем в нашей физиологии... Подмышечный и паховый пот, так же как и пот стоп изначально запаха не имеют (проверьте на себе). Специфический запах - это продукт выделения бактерий, которые питаются этим потом. Даже не понятно как классифицировать эту проблему, вряд ли область влияния иммунитета можно расширить на поверхность тела. Скорее, это проблема окружающей среды, воздействовать придется на эти бактерии, а не на наш геном.

п.с. у вас там пару ошибочек "Если им совершенны - зачем умираем?", "сократитьтеплопотери"

oxyowl

4 years ago

Я давно говорила о неизбежности и необходимости генной модификации людей (у меня это даже в интересах написано). И я верю в бога - для всех дебилов и фанатичных борцов с религией, которые тут отметились.
>Я давно говорила о неизбежности и необходимости генной модификации людей
>И я верю в бога
Вы или крестик снимите, или трусы наденьте. Или вы в б-га верите, или вы современный человек.

fossa_s

4 years ago

mike_lambert

4 years ago

fossa_s

4 years ago

mike_lambert

4 years ago

fossa_s

4 years ago

mike_lambert

4 years ago

Может, и мигрени научатся лечить наконец?
Предвкушаю, как в Китае будут писать диссертации по технике генной инженерии, а в США - по неэтичности китайцев.

Впрочем что это я. Уже лет пятнадцать как пишут.
Вчера слушал лекцию о геноме в арт пабе в Новосибирске (это такой паб в Академе, где время от времени выступают ученые и рассказывают о своих работах). Не успел лектору задать вопрос об этой технологии и как раз об этической стороне дела. Как Вы считаете, надо ли контролировать распространение этой технологии? И каковы шансы на получение людей с... улучшенными навыками в отличии от нас, простых смертных? :)
Контролировать ни в коем случае не надо. Тут еще идет диспут о патентовании, я считаю, что патент тоже был бы очень плох.

Лимиты у генной инженерии есть, но сходу могу предлодить пару улучшентй: избавиться от всяких вредных и слабовредных мутаций и защититься от широко спектра распространенных вирусов.

zwilling

5 years ago

amginskiy

5 years ago

zwilling

5 years ago

amginskiy

5 years ago

Previous
← Ctrl ← Alt
Next
Ctrl → Alt →