Молекулярні ножиці, здатні вирізати шматки генів з клітин: пояснюємо Нобеля 2020 з хімії

Інтерв’ю генетикині Оксани Півень: «Молекулярні ножиці, здатні вирізати шматки генів з клітин: пояснюємо Нобеля 2020 з хімії»

8 жовтня 2020 року на сайті інформаційної платформи «ЛІГА.life» було опубліковано інтерв’ю старшого наукового співробітника Інституту молекулярної біології та генетики НАН України доктора біологічних наук Оксани Півень, у якому вчена пояснила за що присудили Нобелівську премію з хімії цього року.

Оксана Півень зазначає: «Звучить як фантастика. Вдумайтесь: людство дійшло до етапу, коли змогло винайти зручний інструмент для редагування “поламаних” генів. І це відкриває небачені горизонти і дає шанс на лікування раку, спадкових генетичних хвороб і не лише. І саме за це – “розробку методу редагування геному” – цьогоріч вручили Нобелівську премію з хімії Еммануель Шарпентьє та Дженніфер Дудні. “Генетичні ножиці CRISPR / Cas9 здатні розпізнати ДНК від вірусів, але Еммануель Шарпентьє та Дженніфер Дудна – нагороджені цьогоріч – довели, що ними можна керувати, щоб вони могли вирізати будь-яку молекулу ДНК на заздалегідь визначеному місці”, – каже офіційний твіттер Нобелівської премії. (…) Якось вчені досліджували геном кишкової палички і знайшли дуже незрозумілі на той час генетичні структури – касети з коротких послідовностей (спейсерів), що розділилися паліндромними повторами у геномі бактерій, і не розуміли його значення (паліндроми – ті, що однаково читаються і справа наліво і зліва направо). Японські вчені зробили про це наукову публікацію, й про знахідку на якийсь час забули. Набагато пізніше група біоінформатиків під керівництвом поважного вченого Євгена Куніна зробили припущення, що ці елементи важливі для захисту бактерій від вірусів. Адже у людей є свої віруси, а в бактерій – свої. І кожен захищається по-різному. Бактерії хоч і одноклітинні організми, але їм теж треба захищатися від вірусів – фагів, тобто пожирачів бактерій. Так випадково виявили CRISPR – адаптивну імунну систему, яка допомагає бактеріям переживати атаки вірусів. У бактерій є своя імунна система. Хто міг про це подумати 10 років тому? А тепер ми знаємо, як вона працює. Це колосальний результат еволюції і дуже важливо для загального розуміння фундаментальних засад біології та всього живого. Дуже багато вчених працювало, аби з’ясувати, чим є CRISPR-система і як вона працює. Спочатку науковці дослідили перший тип цієї системи. Він працює так: є кілька білків, які збираються разом, і каскад комплекс, що активує ці білки. Разом вони зустрічають вірусну нуклеїнову кислоту і шматують її як шредер папір. Минув час, і дослідники з’ясували, що є ще другий тип – один з представників – CRISPR-CAS 9. Він був досліджений набагато гірше. І цьогорічна лауреатка Емманюель Шарпантьє якраз працювала з ним. Вчена виділила певні елементи цієї системи, власне РНК, але не мала необхідного інструментарію, щоб глибше досліджувати цю систему, тож запропонувала співпрацю Дженніфер Дудні.

Науковиці взялися з’ясувати, який елемент у цій системі за що відповідає і як система знищує вірусну ДНК, коли та потрапляє в бактеріальну клітину. Вони застосували технології, які були доступні і відпрацьовані в лабораторії Дудні. І у 2012 році показали, як працює система, яку ми тепер називаємо молекулярними ножицями. Більше того, змогли адаптувати її до досить таки простого використання. Фактично приручили! Завдяки їхній роботі ми можемо різати ДНК у будь-яких типах клітин: бактерій, тварин, рослин».

Учена також пояснила як працюють молекулярні ножиці, як генетичні ножиці CRISPR / Cas9 пройшли шлях від лабораторії до застосування в медицині та на якому рівні ці дослідження зараз. Щодо останнього генетикиня зазначає: «У Китаї цілі інститути працюють з CRISPR-системами. Там модифікують і тваринні і рослинні організми. (…) Ми уже можемо редагувати гени, не вносячи зміни в структуру ДНК. Це стає суттєво безпечнішим для пацієнта. На сьогодні вже проходять багато преклінічних випробувань терапії генетичних захворювань із застосуванням молекулярних ножиць. Наприклад, є результати випробувань тривалістю в рік, коли групі добровольців проводили терапію серповидноклітинної анемії за допомогою CRISPR-системи, замінюючи маленькі мутації у відповідних генах. Перші дослідження на людях показують, що є дуже хороші результати. Цьогоріч за допомогою цієї технології провели унікальну корекцію сліпоти, пов’язаної з мутацією певного гену, прямо у тілі пацієнта. Це величезний прогрес. Адже якщо говоримо про терапію анемії, захворювань крові, технічно це виглядає так, що в людини беруть клітини крові, поза її тілом виконують маніпуляції CRISPR-ом, і потім підсаджують назад. Є ще великий напрямок роботи з терапії вірусних захворювань за допомогою CRISPR. Наприклад, віруси герпесу, гепатиту, Епштейна-Барра, імунодефіциту людини й інші. Беремо клітини в пацієнта, але працюємо з ними поза організмом. І повертаємо пацієнту “відредаговані” клітини. У цьому напрямку є дуже хороші результати. У напрямку онкології є цікаві роботи, але вони складніші для пояснення. Це взагалі синтетична біологія коли ми використовуємо саму клітину або якісь її ферменти-білки як міні-чіп. (…) Наразі такі роботи ще не вийшли за межі лабораторій. Але ці речі досить близькі до медичної апробації, захоплюють уяву і дуже надихають. Головне обмеження застосування CRISPR-системи в медицині вже і зараз – “off-target” ефект. Наприклад, система випадково може порізати ДНК не там, де треба, а це серйозна проблема. Її треба вирішити перед тим, як пропонувати такий метод терапії пацієнту. CRISPR система також може бути генотоксичною. Бо як у клітині пошматували ДНК не там, де треба, і розривів багато то клітина може включити механізм самоліквідації. Іноді буває низька ефективність редагування. Є й інша проблема, як це все “запхнути” в клітину, що використати в якості “шатлу”, щоб доставити це в клітину і щоб це не було токсичним для пацієнта. Використати ретровіруси для доставки – це потенційна онкогенність. Використати інші віруси, що не такі агресивні? Це знижує ефективність. І таких нюансів багато. І сам комплекс CRISPR-CAS9 теж має свою імуногенність. Зараз це окремий напрямок, дослідники вивчають, як довести роботу системи CRISPR до філігранності, як знизити її можливу токсичність, імуногенність, які способи доставки будуть ефективними».

Ознайомитися з повним текстом інтерв’ю

За інформацієюплатформи «ЛІГА.life»