X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Проблема наследственных заболеваний существовала всегда. Миллионы людей страдают из-за ошибок в своих генах. Современная медицина способна помочь в некоторых случаях облегчить их состояние, но в корне изменить ситуацию – пока невозможно, хотя это становится все ближе и ближе с каждым днем.

Одной из причин наследственных заболеваний являются точечные мутации, происходящие на уровне гена. Гипотез об их возникновении достаточно много, но точного ответа дать невозможно, если рассматривать, что причинами могут стать множество факторов.

Патологии, вызванные точечными мутациями, могут быть смертельными. Поэтому крайне важно найти способ устранения мутаций. И одним из таких способов может стать редактирование генома.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТОЧЕЧНЫХ МУТАЦИЙ. ПАТОЛОГИИ

Точечная мутация – это мутация в ДНК или РНК, характеризующаяся заменой одного азотистого основания на другое. Различают транзицию и трансверсию. Транзиция – это замена одного пуринового основания на другое (например, аденин на гуанин), либо одного пиримидинового на другое пиримидиновое (например, цитозин на тимин). Трансверсия – это замена пиримидинового основания на пуриновое, либо наоборот (например, аденин на тимин). Точечные мутации сдвига рамки чтения гена классифицируют на делеции и инсерции. Делеция — в молекуле ДНК выпадает один или несколько нуклеотидов. Инсерция — в молекулу ДНК встраивается один или несколько нуклеотидов.

По эффекту, оказываемому изменением нуклеотида на триплет, точечные мутации делятся на: сайленс-мутации, нонсенс-мутации и миссенс-мутации. При сайленс-мутации кодон продолжает кодировать ту же аминокислоту из-за такого свойства генетического кода как вырожденность, что не несет последствий. При остальных мутациях возникают патологии.

В результате нонсенс-мутации происходит преждевременная терминация (появляется стоп-кодон) синтеза определенного белка. Такие мутации приводят к следующим заболеваниям из-за нарушения кодирования специфических белков:

Муковисцидоз (кистозный фиброз) – заболевание, обусловленное мутацией гена трансмембранного регулятора муковисцидоза. Характеризуется поражением желез внешней секреции и органов дыхания;

Миодистрофия Дюшенна – заболевание, обусловленное мутацией в гене, который кодирует белок дистрофин. Основное проявление – слабость мышц, из-за этого нарушения осанки и движений;

Бета-талассемия (β-глобин) – заболевание, в основе которого лежит снижение синтеза полипептидных цепей, входящих в структуру нормального гемоглобина. Из-за мутации нарушается синтез эритроцитов, что может привести к анемии;

Синдром Гурлер – лизосомная болезнь накопления. Проявляется в виде различных дефектов костной, хрящевой, соединительной тканей.

В результате миссенс-мутации кодон начинает кодировать другую аминокислоту. Различают приемлемые, частично приемлемые и неприемлемые миссенс-мутации в зависимости от свойств измененных протеинов. Патологии, вызванные миссенс-мутациями:

Боковой амиотрофический склероз – неизлечимое дегенеративное заболевание центральной нервной системы, при котором поражаются двигательные нейроны, что приводит к параличам и атрофии мышц;

Серповидно-клеточная анемия – наследственное нарушение структуры изменения гемоглобина, в молекуле которого в β-цепи в шестом положении вместо глутаминовой кислоты находится валин. У людей с заболеванием наблюдатеся повышенное разрушение эритроцитов и кислородная недостаточность;

Синдром Марфана – наследственная патология соединительной ткани, вызванная мутацией гена, кодирующего синтез гликопротеина;

Гипофосфатазия – жизнеугрожающее заболевание, характеризующее нарушением минерализации костей скелета и зубов и системными осложнениями. Вызвано мутацией в гене тканенеспецифичной щелочной фосфатазы.

Точечные мутацию могут возникать в процессе репликации ДНК, репарации ДНК и транскрипции. А также причиной могут стать мутагены. Например, воздействие ультрафиолетового и рентгеновского излучения, химические вещества и высокая температура. В рамках общепринятой, полимеразной модели считается, что единственная причина образования мутаций замены оснований — спорадические ошибки ДНК-полимераз.

РЕДАКТИРОВАНИЕ ГЕНОМА

Точечные мутации представляют собой достаточно серьезные причины ряда заболеваний, некоторые из которых являются смертельными. Это в свою очередь требует поиска возможных методов для устранения мутаций, для устранения патологии и нормального существования человека без заболевания.

И один из таких методов уже существует, и является достаточно перспективным, так как в будущем может стать действенным оружием против заболеваний, удаляя из организма дефектные гены.

CRISPR/Cas9 — это новая технология редактирования геномов высших организмов, базирующаяся на иммунной системе бактерий. Бактериальная ДНК состоит из ряда одинаковых повторов CRISPR, между которыми располагаются спейсеры – отличающиеся друг от друга фрагменты ДНК, которые соответствуют вирусам (бактериофагам), атакующим эти бактерии. Попавший в клетку вирус опознается специализированными Cas-белками (CRISPR-associated sequence — последовательность, ассоциированная с CRISPR), связанными с CRISPR РНК. Если в спейсере есть информация о данном вирусе, то Cas-белки разрезают чужеродную ДНК, уничтожая ее. Данные о новом побежденном вирусе бактерия сохраняет, вставляя в CRISPR-кассету, фрагменты вирусной ДНК становятся спейсерами.

В начале 2013 года группы ученых показали, что данная система может работать не только в клетках бактерий, но и в клетках высших организмов, что дало толчок к пониманию, что CRISPR/Cas-системы могут стать основой для лечения наследственных заболеваний человека, исправляя ошибки в последовательности генов.

В основе метода, применяемого для человеческого организма, будет лежать принцип комплементарности. То есть на месте вырезанного фрагмента одной цепи ДНК участок будет достраиваться по правилу Чаргаффа.

2012 году группы Шарпентье и Дженнифер Дудны из Университета Беркли опубликовали статью о том, что можно перепрограммировать систему CRISPR/Cas так, что она сможет целенаправленно разрезать участки ДНК, выбранные учеными. Таким образом, белок Cas9 становится «молекулярным скальпелем», который с помощью введенных в организм специально созданных РНК-гидов, последовательность которых совпадает с искомыми местами, вносит разрыв в нужное место генома.

С помощью системы можно делать мультикомплексное редактирование генома, достаточно ввести разные РНК-гиды, которые направят Cas9-белки к собственным мишеням, и вместе они устранят проблему.

На метод возлагают большие надежды.

Точность CRISPR/Cas9 делает метод самым перспективным в генной инженерии. Кроме лечения генных заболеваний, он поможет избавиться от некоторых инфекционных болезней, например, малярии. А также уже показана его способность полностью удалять гены ВИЧ из зараженных лимфоцитов.

Однако в данный момент метод пока подходит для лечения моногенных заболеваний, природа которых ясна и понятна. А для заболеваний типа алкоголизм и шизофрения существует множество вариаций генов и их проявлений. Кроме этого, в геноме может существовать множество вариантов последовательностей-мишеней, а система просто закроет глаза на несходства, и проявится нецелевая активность, неправильное узнавание, разрезание и редактирование. И непонятен сценарий, по которому идет репарация в клетке. Поэтому задача усложняется. Но ученые ведут исследования и вполне возможно, что в скором времени все генетические заболевания станут излечимыми благодаря данному методу.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

С развитием знаний о нашей генетике в будущем станет возможным не только исправлять генетические дефекты, но и задавать желаемый цвет глаз и волос, улучшать физические и умственные способности, исправлять иммунитет человека, делать его устойчивым к множеству заболеваний.

Важным применением технологии CRISPR/Cas9 становится применение ее в генной терапии лечения наследственных заболеваний уже у взрослых организмов. У лабораторных мышей она уже вылечила наследственную мышечную дистрофию. С помощью метода можно вылечить и рак.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Тарасов В. А. Молекулярные механизмы репарации и мутагенеза. — М.: Наука, 1982.

Марри Р., Греннер Д., Мейес П., Родуэлл В. Биохимия человека. — М.: «Мир», 1993.

Ершов А. (2016). «Просто это очень красиво». Константин Северинов о новом типе CRISPR-систем и последних трендах в редактировании геномов. Сайт N+1

Панчин Александр Homo sapiens: работа над ошибками // Популярная механика. — 2016. — № 5. — С. 38—41. — URL: http://www.popmech.ru/magazine/2016/163-issue/

Немудрый А. А., Валетдинова К. Р., Медведев С. П., Закиян С. М. Системы редактирования геномов TALEN и CRISPR/Cas — инструменты открытий // Acta Naturae. — 2014. — № 3 (22).