CRISPR/Cas9 – один из важнейших инструментов современной генетической технологии и биомедицины. Он дает возможность целенаправленно резать геном, изменяя его. Генетические ножницы вселяют надежду на то, что в будущем можно будет лечить генетические дефекты и наследственные болезни.
Но техника имеет темную сторону. Хотя генетические ножницы действуют прицельнее, чем предыдущие разработки, они могут вызывать необратимые мутации в нежелательных местах и повышать риск заболеть раком. Кроме того, технику вмешательства в геном считают противоречивой с этической точки зрения.
Команда во главе с Джеймсом Нунезом (James Nunez) из университета в Сан-Франциско разработали альтернативный метод: из CRISPR/Cas9 ученые взяли генетические ножницы и заменили их маленькими белковыми машинами, обусловливающими эпигенетические изменения в геноме. Они не редактируют сам ДНК, а только участки в геноме, блокирующие ген или делают его доступным для считывания. Так эпигеном влияет на генетическую активность человека.
В отличие от генетических изменений, такое действие эпигенетических модификаций обратимо – от природы эпигеном со временем меняется. «Генетические и клеточные терапии – это будущее медицины, однако существуют определенные опасения по поводу их безопасности тогда, когда геном изменяют необратимо», – говорит коллега Нунеза Люк Гилберт (Luke Gilbert). Поэтому новый механизм под названием CRISPRoff ученые разработали таким образом, чтобы он действовал только на эпигеном. Это открывает новые возможности для исследования и терапии, поскольку эпигенетические участки играют важную роль и для развития болезней цивилизации.
Как по обычному механизму классического CRISPR/Cas9, новый CRISPRoff действует через так называемые длинные некодирующие РНК, которые привязываются к цепи ДНК в определенных местах. Здесь они присоединяют к ДНК небольшие химические соединения метильной группы (-CH3).
Из-за метилирования в этой точке больше не удается прочитать ДНК. Поэтому такой ген выключается. Тесты свидетельствуют, что изменения, наступающие в результате применения CRISPRoff, сохраняются и при делении клетки. Даже после 450 клеточных поколений ген у потомков первично модифицированной клетки оставался выключенным.
Эпигенетические маркировки остаются стабильными, даже когда меняется тип клетки. Это продемонстрировали Нунез и его коллеги, заставляя плюрипотентные стволовые клетки дифференцироваться в нервные.
Хотя изменения в циклах деления выглядят стабильными, их легко можно ликвидировать генно-технологическими методами. Для этого ученые разработали инструмент CRISPRon, который растворяет прицепленную к геному метильную группу и делает его снова пригодным для считывания.
Ранее ученые исходили из того, что метильные группы возможны только на конкретных участках ДНК-кода, в частности на так называемых CpG-островках. Эти области в геноме содержат особенно много оснований цитозина (С) и гуанина (G). Такие CpG-островки содержат около двух третьих всех генов. Другую треть, в соответствии с распространенной теорией, нельзя отключить через метилирование. Но Нунез и его коллеги опровергли это предположение.
«Наша работа демонстрирует: чтобы отключить гены через метилирование, не нужны CpG-островки. Это и для нас стало большой неожиданностью», – сказал Гилберт. Его коллега Джонатан Вайсман (Jonathan Weissman) добавляет: «Сейчас мы имеем простой инструмент, способный заблокировать большинство генов. Мы можем это сделать в отношении нескольких генов одновременно, не повреждая при этом ДНК, и таким образом, все изменения могут быть обратимыми. Это невероятный инструмент контроля генетической экспрессии».
По мнению ученых, новая технология интересна для исследователей и для медиков, применяющих терапию, которая влияет на геном. При развитии определенных недугов – от вирусных инфекций до определенных форм рака – эпигеном играет важную роль.
В какой степени CRISPRoff на самом деле можно применить в медицине, должны продемонстрировать будущие исследования. Но сейчас он может помочь в базовых исследованиях. «Наши инструменты позволяют исследовать механизм наследования, особенно эпигенетическое наследство, что является загадкой для биомедицинской науки», – сказал Нунез.
