XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

Введение целенаправленных изменений геномной последовательности в живые клетки и организмы стало мощным инструментом для биологических исследований и потенциальным средством терапии генетических заболеваний [1].

Методы современной молекулярной биологии и генной инженерии открыли новые возможности изучения механизмов мутаций и формирования иммунитета на самом первичном уровне.

Результатом таких исследований является открытие особых локусов CRISPR (англ. Clusteredregularlyinterspacedshortpalindromicrepeats), состоящих из прямых повторяющихся последовательностей, разделенных уникальными последовательностями, называющимися спейсерами, заимствованными из чужеродных генов элементов, с которыми сталкивалась клетка в течение жизни. Если локусы CRISPR ассоциируются с особыми белками Cas, которые могут существовать только при наличии этих локусов, то образуется система CRISPR-Cas, обеспечивающая адаптивный иммунитет у клетки [2].

Впервые локусы CRISPR были открыты в 1987 группой японских ученых под руководством Ёсидзуми Исино, но подробно изучены были лишь начиная с 1993 испанским исследователем Франсиско Мохикой, открывшим и гены Cas и, в последствии, опубликовавшим в 2005 результаты своего масштабного исследования [3]. Эти публикации и положили начало повышенного интереса к изучению данных систем в мировой науке.

Системы CRISPR-Cas различаются как структурно, так и функционально. Тем не менее, всем системам CRISPR-Cas присущ ряд общих черт (Рис. 1)

Рис. 1 Упрощенная схема системы CRISPR-Cas

Кроме структурного сходства, различные системы CRISPR-Cas объединяют три ключевых этапа работы CRISPR-опосредованного иммунитета: приобретение (англ.acquisition), или адаптация (англ.adaptation),экспрессия (англ.expression) и интерференция (англ.interference).

Все 93 гена Cas сгруппированы в 35 семейств на основе подобия последовательности кодирующих белков. 11 из этих 35 семейств формируют ядро Cas, включающее семейства белков, начиная от Cas1 до Cas9. Полный CRISPR-Cas локус имеет, по крайней мере, один ген, принадлежащий ядру Cas.

Системы CRISPR-Cas подразделяются на два класса. Системы класса 1 используют мультибелковый эффекторный комплекс Cas для подавления чужеродных нуклеиновых кислот. Системы класса 2 используют один эффекторный белок Cas, предназначенный для той же цели. Класс 1 разделен на типы I, III, и IV, класс 2 разделен на типы II, V, и VI. 6 системных типов, в свою очередь, разделены на 19 подтипов. Каждый тип и большинство подтипов характеризуются «сигнатурным геном», найденным почти в каждом из них. Классификация также основана на дополнении присутствующих генов Cas. Большинство CRISPR-Cas систем содержит белок Cas1. Филогенез белков Cas1, в целом, согласуется с классификационной системой. Многие организмы содержат множественные системы CRISPR-Cas, иходя из предположения, что они совместимы и могут обмениваться компонентами. Спорадическое распределение подтипов CRISPR-Cas предполагает, что система CRISPR-Cas подвергается горизонтальному переносу генов вовремя эволюции у микроорганизмов [4].

Наиболее интересной, с точки зрения практического применения, является система CRISPR-Cas9, поскольку белок Cas9, одинаков для всех локусов-мишеней, а специфичность действия определяется не белком, а crРНК. Данная система используется для редактирования генома, позволяющего сформировать иммунитет к некоторым трудно или неизлечимым заболеваниям как малярия или грипп. В дополнение система CRISPR-Cas9 перспективна в лечении врожденной мышечной дистрофии, поскольку данное генетическое заболевание затрагивает один единственный ген, что делает его идеальной мишенью для применения данной технологии.

В ноябре 2018 года китайскими учеными было объявлено о появлении девочек-близнецов с отредактированным геномом с помощью системы CRISPR-Cas9, которые полностью иммунны к вирусу ВИЧ. До этого, уже существовали успешно предпринятые попытки уничтожения вредоносного участка в геноме и стояла проблема в определении его точной локализации. Успех китайских ученых открывает двери к генетическому совершенствованию человека, формированию полного иммунитета к болезням и замедлению старения организма [5].

В заключение можно отметить, что открытие системы CRISPR-Cas это лишь один из множества еще неизвестных науке ключей к открытию всех тайн, скрытых в генетическом коде.

Литература:

Sander, J. D., &Joung, J. K. (2014). CRISPR-Cas systems for editing, regulating and targeting genomes. Nature Biotechnology, 32(4), 347–355.doi:10.1038/nbt.2842

CRISPR-системы: иммунизация прокариот // Биомолекула. URL: https://biomolecula.ru/articles/crispr-sistemy-immunizatsiia-prokariot (дата обращения: 20.01.2019)

Lander E.S. The Heroes of CRISPR// Cell. 2016. Vol.164, no. 1-2. P.18-28. DOI:10.1016/j.cell.2015.12.041. PMID 26771483

Sontheimer E. J., Barrangou R.The Bacterial Origins of the CRISPR Genome-Editing Revolution // Human Gene Therapy. 2015. Vol. 26, № 7. P.413-424. DOI:10.1089/hum.2015.091. PMID 26078042

Antonio Regalado.Engineering the Perfect Baby.// MIT Technology Review(5 March 2015)