Науковці так модифікували генетичні ножиці CRISPR/Cas9, що тепер можуть цілеспрямовано змінювати генетичну активність. Замість того, щоб різати геном, новий механізм CRISPRoff впливає винятково на епігеном – ті фрагменти ДНК, що блокують або вмикають зчитування генів. Це відкриває нові можливості для дослідження й терапії, оскільки епігенетичні ділянки відіграють важливу роль і для розвитку хвороб цивілізації.
Зображення: CIPhotos/ Getty images.
Генетичні ножиці CRISPR/Cas9 – один із найважливіших інструментів сучасної генетичної технології та біомедицини. Він дає змогу цілеспрямовано різати геном, змінюючи його. Генетичні ножиці вселяють надію на те, що в майбутньому можна буде лікувати генетичні дефекти та спадкові хвороби.
Але техніка має темний бік. Хоча генетичні ножиці діють прицільніше, ніж попередні розробки, вони можуть зумовлювати незворотні мутації в небажаних місцях і в такий спосіб навіть підвищувати ризик захворіти на рак. Крім того, техніку втручання в геном вважають суперечливою з етичного погляду.
Команда на чолі з Джеймсом Нунезом (James Nunez) з Каліфорнійського університету в Сан-Франциско розробили альтернативний метод: з CRISPR/Cas9 науковці забрали генетичні ножиці й замінили їх маленькими білковими машинами, що зумовлюють епігенетичні зміни в геномі. При цьому вони редагують не саме ДНК, а лише ті ділянки в геномі, що блокують ген або роблять його доступним для зчитування. Так епігеном впливає на генетичну активність людини.
На відміну від генетичних змін, така дія епігенетичних модифікацій зворотна – від природи епігеном з часом змінюється. «Генетичні та клітинні терапії – це майбутнє медицини, проте існують певні побоювання з приводу їхньої безпечності тоді, коли геном змінюють незворотно», – сказав колега Нунеза Люк Ґілберт (Luke Gilbert). Тож свій новий механізм під назвою CRISPRoff науковці розробили в такий спосіб, щоб він діяв тільки на епігеном.
Як за звичайного механізму класичного CRISPR/Cas9, новий CRISPRoff діє через так звані довгі некодуючі РНК, що прив’язуються до ланцюга ДНК в певних місцях. Тут вони доєднують до ДНК невеликі хімічні сполуки метильної групи (-CH3).
Через таке метилювання в цій точці більше не вдається зчитати ДНК. Тож такий ген вимикається. Тести засвідчують, що зміни, які настають в результаті застосування CRISPRoff, зберігаються і при поділі клітини. Навіть після 450 клітинних поколінь ген у нащадку первинно модифікованої клітини залишався вимкненим.
Епігенетичне маркування залишається стабільним, навіть коли змінюється тип клітини. Це продемонстрували Нунез та його колеги, змушуючи плюрипотентні стовбурові клітини диференціюватися в нервові.
Хоч зміни у циклах поділу виглядають дуже стабільними, їх просто ліквідувати генно-технологічними методами. Для цього науковці розробили інструмент CRISPRon, що розчиняє причеплені до геному метильні групи й робить його знову придатним для зчитування.
Досі науковці виходили з того, що метильні групи можливі лише на конкретних ділянках ДНК-коду, зокрема на так званих CpG-острівцях. Ці регіони в геномі містять особливо багато основ цитозину (С) та гуаніну (G). Такі CpG-острівці містять близько двох третіх усіх генів. Іншу третину, згідно з поширеною теорією, не можна вимкнути через метилювання. Але Нунез та його колеги спростували це припущення.
«Наша робота демонструє: щоб вимкнути гени через метилювання, не потрібні CpG-острівців. Це і для нас стало великою несподіванкою», – сказав Ґілберт. Його колега Джонатан Вайсман (Jonathan Weissman) додає: «Зараз ми маємо простий інструмент, що може заблокувати більшість генів. Ми можемо це зробити щодо кількох генів водночас, не пошкоджуючи при цьому ДНК, і в такий спосіб всі зміни будуть зворотними. Це неймовірний інструмент контролю генетичної експресії».
На думку науковців, нова технологія цікава для дослідників і для медиків, що застосовують терапію, яка впливає на геном. При розвитку певних недуг – від вірусних інфекцій до певних форм раку – епігеном відіграє важливу роль.
Якою мірою CRISPRoff насправді можна застосувати в медицині, мають продемонструвати майбутні дослідження. Але зараз він може допомогти в базових дослідженнях. «Наші інструменти дають змогу досліджувати механізм успадкування, особливо епігенетичну спадщину, що наразі є загадкою для біомедичної науки», – сказав Нунез.
Elena Bernard
University of California San Francisco, Whitehead Institute for Biomedical Research, Massachusetts Institute of Technology, 30/04/2021, Cell, 2021, doi: 10.1016/j.cell.2021.03.025
Зреферувала С.К.
16.05.2021