Transcription
Що ви бачите, вчені назвали «початком кінця генетичних хвороб». Ця революційна технологія отримала Нобелівські премії, її використовували для модифікації людських ембріонів, і вона навіть вилікувала пацієнтів від хвороб. Але що це? Ну, давайте зробимо крок назад. Якщо ви активний глядач цього каналу, то ви знаєте, що інструкції для створення білків містяться в ДНК, причому кожен окремий рецепт білка називається геном. Тому можна очікувати, що якщо щось не так з рецептом, наприклад, ген мутує, то цей варіант гена може призвести до несправного білка, що, в свою чергу, може призвести до хвороби, такої як рак та серповидноклітинна анемія. Тож вчені задумалися… а що якби був спосіб виправити ці мутації? Тобто, якби ми теоретично могли редагувати нашу ДНК для виправлення мутацій, то ми б мали спосіб боротися з хворобами! І ця проста ідея стала відомою як редагування генів. Але хоча це була проста ідея в теорії, на практиці це було набагато складніше. Хоча перші спроби редагування генів розпочалися в 1960-х і 70-х роках, тільки в 1994 році був розроблений надійний метод редагування геному. Ця перша технологія редагування генів була нуклеазами із цинковими пальцями, які були спеціально розробленими білками, що складаються з 2 частин: частини, що зв’язує ДНК, або домену, який вказував білку, де саме на ДНК зв’язуватися, а також домену, що розщеплює ДНК, який фактично розрізав ДНК, зазвичай містить фермент «ножиці», який називається Fok1.
Роками пізніше вчені знайшли ще кращу технологію редагування генів, відому як TALENs, які були схожими на нуклеази із цинковими пальцями, але їх було легше створювати, оскільки TALENs розпізнають точно одну пару основ на модуль, на відміну від нуклеаз із цинковими пальцями, які розпізнають три пари основ на модуль. Однак лише через пару років після розробки TALENs була виявлена третя основна технологія редагування генів. Вона була дуже ефективною та високоспецифічною, і смішна річ полягає в тому, що вчені, які відкрили цю технологію, навіть не мали наміру працювати над редагуванням генів. Зверніть увагу. В кінці 1980-х років вчені вивчали послідовності ДНК бактерій, і вони помітили щось дивне. Приблизно у 40 відсотків бактерій, здавалося, були скупчення регулярно розставлених повторюваних послідовностей, зокрема послідовностей, які можна було читати однаково назад і вперед, відомих як паліндром. Між цими повторами були, здавалося б, випадкові послідовності ДНК, які вчені вирішили назвати «спейсерами». І цей регіон був справді дивним, тому вчені вирішили дати йому назву… некреативно: Кластеризовані регулярно інтерспейсовані короткі паліндромні повтори, або масив CRISPR. Але роками вчені не знали, чому там був масив CRISPR. Вони докладно зосередилися на паліндромних повторах, але виявилося, що секрет був у спейсерах. Один учений, зокрема Франциско Мохіка з Іспанії, зрозумів, що ці спейсери точно відповідали ДНК, що міститься у вірусах, зокрема вірусах, які заражають бактерії, які називаються бактеріофагами. Це спостереження наштовхнуло його на думку, що, можливо, CRISPR діє як своєрідна імунна система для бактерій, що якимось чином під час інфекції бактеріофагом бактерія могла відрізати сегмент вірусної ДНК та вставити цей шматок у власний геном бактерії, щоб вона мала пам’ять про цього загарбника і могла краще захищатися від нього в майбутньому. І Мохіка виявився абсолютно правим.
Спосіб, яким це працює всередині, полягає в тому, що коли новий вірус заражає бактерію, бактерія використовує білковий комплекс, який називається CRISPR-асоційований білок 1 і 2, або просто Cas1 і 2, щоб ідентифікувати цю вірусну ДНК та вирізати сегмент, який потім вставляється в початок масиву CRISPR як спейсер, щоб бактерія мала запис про цей вірус. Для довідки, до того, як ДНК інтегрується як спейсер, вона називається протоспейсером, де «прото» означає «перед». Але… як саме бактерія використовує цей масив CRISPR, цю книгу пам’яті, як форму захисту? Ну, вчені виявили, що під час вірусної інфекції масив CRISPR у бактеріях транскрибується в довгу РНК. Ця довга РНК потім обробляється в менші РНК, які називаються CRISPR РНК, кожна з яких містить послідовності, що відповідають РНК вірусів. Ця обробка значною мірою здійснюється іншою РНК, відомою як трансактивуюча CRISPR РНК, або tracrRNA. crRNA та tracrRNA потім обидві зв’язуються з білком, який називається Cas9, який діє як ножиці для розрізання ДНК. Цей весь комплекс потім сканує ДНК, і якщо є послідовність, що відповідає crRNA, то він розріже цю ДНК. Ось як бактерії використовують CRISPR для розрізання ДНК вірусів як захист! Але вчені не зупинилися. Дві вчені, Дженніфер Дудна з Каліфорнійського університету в Берклі та Еммануель Шарпентьє з Умеоського університету в Швеції, запиталі себе: а що якщо ми зможемо об’єднати crRNA та tracrRNA в одну єдину «напрямну» РНК? І вони поступово усвідомлювали силу цього питання. Якби це дійсно було можливо створити направляючу РНК, то вони змогли б прикріпити будь-яку окрему направляючу РНК до Cas9, і Cas9 знайшов би та розрізав цю відповідну послідовність ДНК. Тож вони це зробили! Вони використовували просту «з’єднувальну петлю» для об’єднання crRNA та tracrRNA, і ця сконструйована одинарна направляюча РНК працювала надзвичайно добре! Прикріпіть будь-яку направляючу РНК до Cas9, і ви можете розрізати відповідну ДНК! Цю бактеріальну імунну систему можна було використовувати для редагування генів! І ця технологія не обмежувалася лише розрізанням!
Виявляється, вчені можуть використовувати «мертву» версію Cas9, яка може зв’язуватися зі специфічною ДНК, але насправді не розрізає. Потім вчені можуть з’єднати активаторний білок з мертвим Cas9, що змушує приєднаний ген бути більш активним і транскрибувати більше РНК. Аналогічно, вони можуть прикріпити інгібіторний білок, який вимикає цільовий ген. Вчені навіть можуть прикріпити до мертвого Cas9 світиться, флуоресцентний білок, найчастіше той, що називається GFP, щоб вчені могли просто бачити, де зв’язаний білок Cas9. Однак залишається одне питання, на яке потрібно відповісти: якщо комплекс Cas9 розрізає будь-яку ДНК, яка відповідає направляючій РНК, то чому CRISPR не розрізає масив CRISPR? Ну, виявляється, що коли Cas1 і Cas2 вирізають протоспейсери з вірусної ДНК спочатку, вони завжди розрізають у місці, щоб сусідня послідовність була NGG, де N може бути будь-яким нуклеотидом: A, T, C або G. Таким чином, кожного разу, коли Cas9 шукає послідовність ДНК, яка відповідає його направляючій РНК, необхідно не тільки збігатися з послідовністю направляючої РНК, але й повинен бути NGG поруч з нею в ДНК! Сам масив CRISPR не містить жодного NGG, тому він не ризикує бути розрізаним Cas9. Ця послідовність NGG є шаблоном, або мотивом, який Cas9 шукає поруч із протоспейсером, вона називається мотивом, що прилягає до протоспейсера, або PAM-послідовністю. І це CRISPR-Cas9! Він ефективніший, ніж ZFNs та TALENs, оскільки не потрібно конструювати цілі білкові комплекси; нам потрібно лише надати невелику направляючу РНК до Cas9. І вчені все ще намагаються зробити цей процес ще кращим! Наприклад, деякі вчені, такі як Девід Лю з Гарвардського університету, зрозуміли, що замість розрізання ДНК, ми можемо простіше змінити азотисті основи хімічним шляхом, щоб виправити мутації, процес, відомий як редагування основ. Існує навіть техніка, яка називається основним редагуванням, яка робить вставки, делеції та заміну основ, все без дволанцюгових розривів.
Само собою зрозуміло, що CRISPR-Cas9 є потужною технологією, не тільки для лікування хвороб, але й для потенційного створення більш стійких культур та багато чого іншого. Але нам потрібно бути обережними. По-перше, специфічність CRISPR-Cas9 не є ідеальною, тому завжди існує ризик внесення небажаних позацільових змін. Більше того, редагування генів може бути шкідливим для людського виду, оскільки воно може випадково призвести до небажаних постійних змін у нашій ДНК та навіть змінити еволюцію людини. Зокрема, якщо ДНК сперматозоїдів та яйцеклітин редагується, будь-які зміни передаватимуться майбутнім поколінням, можливо, спричиняючи непоправні наслідки. Але наука не зупиняється, і технології продовжують вдосконалюватися, завдяки креативному мисленню та співпраці сотень вчених у всьому світі. І хто знає? Можливо, вчений, який досягне цих звершень у майбутньому, переглядає це відео прямо зараз. Дякую за перегляд. Якщо ви дійшли до цього моменту, подумайте про підписку та поширення серед друзів! Кожне відео займає у мене понад 100 годин, тому величезне дякую за допомогу в зростанні цієї спільноти та сприяння любові до біології.