Хроники Криспер Каса

Криспер

CRISPR расшифровывается как Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats, т.е. «сгруппированные регулярно разделенные промежутками короткие палиндромные повторы». Но не закатывайте глаза и не закрывайте статью сразу, сейчас попробую объяснить все это на пальцах.

Палиндром (перевертыш) – это слово или предложение, читающееся одинаково в обоих направлениях (Аргентина манит негра). Палиндромы в ДНК – это зеркальные последовательности, которые могут образовывать сдвоенные участки (шпильки). Школьный пример: чуть менее, чем полностью из таких шпилек состоят тРНК.

Теперь словосочетание «сгруппированные регулярно разделенные промежутками короткие палиндромные повторы» пугать нас, по идее, должно не очень сильно. Вот картинка.

Короткие палиндромные повторы (будущие шпильки) здесь обозначены двойными треугольничками. Они сгруппированные? – Да. – Регулярно разделенные промежутками (прямоугольниками)? – Да. И что?

Как и положено в хорошем детективе, именно в промежутках-прямоугольниках, которым в английском названии и места-то не нашлось, состоит весь смысл этой конструкции.

Криспер – это иммунная память бактерии, библиотека вирусных ДНК. Каждый прямоугольник (спейсер) – это участок ДНК одного вируса.

Криспер/Кас

 
С криспером работают криспер-ассоциированные ферменты (Касы). Один из них (CasЕ) прямо на картинке режет на кусочки пре-иРНК, полученную после транскрипции Криспера. Каждый такой кусочек – это зрелая крисперная РНК (crRNA).

Спейсерная (на картинке – цветная) часть crRNA, как мы помним, комплементарна вирусной ДНК – т.е. может находить ее и соединяться с ней. Используя crRNA как наводчиков, Кас №9 обнаруживает вирусную ДНК и разрезает ее на куски. Клетка спасена от вирусной атаки, ура!

Некоторые куски порезанной вирусной ДНК вставляются в криспер-кассету. (Криспер бактерий, переживших вирусную инфекцию, удлиняется на 1-4 спейсера.)

Если бактерия заражается новым для себя вирусом, против которого у нее никаких криспер-записей нет, то, чуя скорую погибель, она выпускает свои Касы бушевать – резать на куски любую ДНК, которая попадется под руку. Если Касы порежут ДНК самой бактерии – что ж, значит такова была её судьба. Но бактерии может и повезти, и тогда она успеет:

• разрезать ДНК вируса
• вставить ее в криспер
• транскрибировать криспер
• нарезать пре-крРНК на крРНК
• вставить эту крРНК в Кас9
• разрезать вирусную ДНК
• профит!

Резчики по ДНК

В генной инженерии в качестве «молекулярных ножниц» давно и успешно применяют ферменты рестриктазы, которые узнают определенную последовательность нуклеотидов (сайт рестрикции) и разрезают ДНК в этом месте.

Рестриктазы – целиком «белковые» белки (цинк не в счет), поэтому для того, чтобы заставить рестриктазу резать другой сайт рестрикции, нужно менять структуру белка. Это долго и сложно.

Кроме того, как видно на картинке, длина сайта рестрикции невелика (обычно составляет 4-6 нуклеотидов) – а это значит, что в большом генотипе такая последовательность будет встречаться не один раз (рестриктаза порежет не только нужный нам участок, но и пару десятков ненужных).

Криспер/Кас система лучше:

• длина спейсера (узнаваемой последовательности) составляет около 20 нуклеотидов – она вполне может быть уникальной (встречающейся в генотипе один раз);
• для того, чтобы перенаправить Кас на другой участок ДНК (поменять сайт рестрикции), нам нужно всего лишь напечатать другую крРНК – это быстро и дешево.

Неудивительно, что Криспер/Кас система распространяется по земным лабораториям со скоростью вирусной инфекции.

Three Years Before

В 1987 году в японцы ненадолго отложили в сторону своего Годзиллу и сразу же обнаружили криспер.

В 2007 году подтвердилась гипотеза о том, что Криспер/Кас является системой бактериального иммунитета.

В 2012 году биологи с помощью Криспер/Каса научились редактировать ДНК в клетках эукариот.

В 2015 году китайцы впервые редактировали ДНК эмбрионов человека (нежизнеспособных эмбрионов, редактировали чисто для науки):

• «натравили» Касы на дефектный ген гемоглобина (вызывающего талассемию), Касы порезали этот ген;
• внесли в клетку нормальный ген гемоглобина, чтобы человеческие ферменты восстановили порезанный участок ДНК с использованием правильной матрицы (см. рисунок; чуть подробнее о гомологической рекомбинации рассказывается здесь);
• из 90 эмбрионов восстановление произошло только в 4. Успешным результат назвать пока нельзя, но материал для размышлений получен богатый.

В 2015 году американцы обнаружили белок Cpf1, который по нескольким параметрам лучше, чем Cas9.

В 2017 году американцы обещают испытать на людях технологию лечения наследственных заболеваний с помощью Криспера. Начать обещают с амавроза Лебера (постепенное отмирание клеток сетчатки, приводящее к слепоте).

В 2030 году начнут исправлять гемофилию, предрасположенность к ожирению и врожденную тупизну? Или... (доставка криспера, каса и кого угодно еще внутрь эукариотических клеток осуществляется с помощью искусственных вирусов. Теперь пересмотрите начало «Я – легенды» и ложитесь спать. Приятных вам снов.)

Еще можно почитать

Факультативы по генетике: Кроссинговер, Сотворение человека, Полимеразная цепная реакция, Репликация, Партеногенез у пчел, Как наследуется группа крови