Революционная методика CRISPR-Cas9 изначально получила известность как способ аккуратного изменения нуклеотидных последовательностей в цепочках ДНК. Благодаря CRISPR-Cas9 учёные получили возможность редактировать геномы с точностью, ранее недоступной.
Теперь исследователи продемонстрировали ещё одну область применения методики: изменение экспрессии генов без вмешательства в сам геном. Впервые сотрудникам Института Солка (Salk Institute for Biological Studies) удалось «включить» полезные гены в организме живых мышей, страдавших от мышечной дистрофии, сахарного диабета 1 типа и острой почечной недостаточности. Как сообщается в статье, опубликованной в Cell, состояние здоровья подопытных животных улучшилось более чем в 50% случаев.
В более ранних исследованиях было показано, что CRISPR может быть использован для изменения экспрессии генов в клеточных культурах. Однако возможность такого применения методики в живых организмах продемонстрирована впервые.
«Мы стали на шаг ближе к лечению людей», — сказал Синь-Кай Ляо (Hsin-Kai Liao), постдок Института Солка и первый соавтор статьи.
Алексис Комор (Alexis Komor), биохимик из Калифорнийского университета в Сан-Диего (University of California, San Diego), не принимавшая участия в новом проекте, соглашается: «Это действительно аккуратное исследование in vivo, которое начало строить мост между использованием методик на основе CRISPR для изменения геномов клеток в чашках Петри и применением их в клинической практике».
Когда буквы найдены, комплекс CRISPR-Cas9 «превращается» в молекулярные ножницы — фермент (как правило, это Cas9) прикрепляется к выбранному участку и «разрезает» ДНК. А чтобы заменить «сломанный» ген работающим, учёные присоединяют цепочку ДНК к CRISPR, надеясь, что клетка «решит» использовать новую ДНК для починки разорванной цепи.
Зачастую это работает, но, к сожалению, не всегда, а значит, использование CRISPR-Cas9 способно привести к появлению ненужных делеций и вставок в генетическом коде.
Чтобы преодолеть недостатки метода, учёные решили поэкспериментировать с модифицированной версией CRISPR-Cas9, предназначенной для «включения» и «выключения» определённых генов. В этой версии CRISPR фермент Cas9 деактивирован. Он всё ещё способен прикрепиться к ДНК, но не «разрезать» её. Вместо этого новый Cas9 «приклеивает»к цепи ДНК молекулы, указывающие на необходимость активации выбранного гена.
Новая версия CRISPR-Cas9 интересна не только тем, что она защищает геном от возникновения случайных мутаций. Изменения, появляющиеся в результате работы «нового CRISPR» носят обратимый характер и их легко скорректировать. Кроме того, при использовании модифицированного CRISPR-Cas9 фактически воспроизводится процесс, «включающий» гены в естественных условиях.
Учёные предпринимали попытки использовать CRISPR в живых организмах с 2013 г. Однако до сих пор успеха на этом поприще достичь не удавалось. По словам исследователей, проблема была в создании работающей системы доставки CRISPR-Cas9.
Обычно для введения новых материалов в клетки животных организмов используются вирусы. Но такая система доставки обладает собственными ограничениями, она работает только с относительно небольшими молекулами. Инструкции же, которые учёные использовали для активации определённых генов в клеточной культуре, были слишком крупными, чтобы переносить их с вирусами.
Чтобы преодолеть это ограничение, исследователи отделили фермент Cas9 от инструкций. Теперь фермент вводился в клетку при помощи одного вируса, а инструкции — при помощи другого.
Потребовалось около четырёх лет проб и ошибок, но в конце концов учёные пришли к успеху. Впервые результаты были зарегистрированы на подопытной мыши с ослабленными мышцами. Ей «включили» гены, обеспечивающие рост мышечной ткани.
В следующие месяцы группа исследователей использовала новую систему для лечения мышей с другими заболеваниями, в частности, с острой почечной недостаточностью и с сахарным диабетом 1 типа.
Прежде чем новая методика начнёт использоваться для лечения людей, пройдёт немало времени. Сейчас учёные планируют выяснить, насколько эффективно их разработка будет функционировать в организмах более крупных животных. Кроме того, необходимы тщательные исследования безопасности нового метода.
Авторы работы надеются, что со временем «новый CRISPR» начнёт применяться в клинической практике. Однако, подчёркивают исследователи, конечным результатом может стать лечение заболеваний, а не полное исцеление. Даже если всё пойдёт по оптимистичному сценарию, пациенты будут нуждаться в регулярно повторяющихся курсах генной терапии.
Исследователи также отмечают, что — теоретически — новая методика может быть использована для лечения многих заболеваний, в том числе, болезни Альцгеймера, а также для борьбы с процессом старения в целом.