Более безопасный метод CRISPR позволяет активизировать работу генов, не повреждая ДНК, и может изменить будущее лечения генетических заболеваний. Фото: Shutterstock
Ученые из UNSW в Сиднее разработали новую технологию CRISPR, которая может сделать генную терапию более безопасной, а также разрешить многолетние споры о том, как отключаются гены. Исследование показывает, что небольшие химические маркеры, прикрепленные к ДНК, активно заглушают гены, а не просто появляются в качестве безвредных побочных продуктов в неактивных областях генома.
В течение многих лет исследователи задавались вопросом, действительно ли метильные группы, крошечные химические кластеры, которые накапливаются в ДНК, просто обнаруживаются там, где гены уже выключены, или же они являются прямой причиной подавления генов.
В исследовании, опубликованном недавно в Nature Communications, исследователи из UNSW, работающие с коллегами из детской исследовательской больницы Святого Иуды (Мемфис), продемонстрировали, что удаление этих химических меток приводит к тому, что гены снова становятся активными. Когда метки были добавлены обратно, гены снова отключились. Результаты подтверждают, что метилирование ДНК напрямую контролирует активность генов.
«Мы очень четко показали, что если смахнуть паутину, ген активизируется», — говорит ведущий автор исследования профессор Мерлин Кроссли, заместитель проректора по академическому качеству UNSW.
«А когда мы добавили метильные группы обратно в гены, они снова отключились. Таким образом, эти соединения — не паутина, а якоря».
Как развивалась технология CRISPR
CRISPR, сокращение от Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats, является основой современной технологии редактирования генов. Это позволяет ученым находить определенные последовательности ДНК и вносить целенаправленные изменения, часто заменяя дефектный генетический код здоровыми версиями.
Система основана на естественном защитном механизме, обнаруженном у бактерий, которые используют CRISPR для распознавания и разрезания ДНК вторгшихся вирусов.
Ранние версии инструментов CRISPR работали путем разрезания ДНК, чтобы отключить неправильно функционирующие гены. Более поздние версии стали более точными, позволив ученым исправлять отдельные буквы в генетическом коде. Однако оба подхода основаны на разрыве цепочек ДНК, что может привести к непреднамеренным изменениям и увеличить риск серьезных побочных эффектов.
В последней версии, известной как эпигенетическое редактирование, используется другой подход. Вместо того, чтобы разрезать ДНК, он нацелен на химические маркеры, прикрепленные к генам внутри ядра каждой клетки. Удаляя метильные группы из генов, которые были отключены, исследователи могут восстановить активность генов, не изменяя основную последовательность ДНК.
Новые возможности для лечения серповидноклеточной анемии
Команда считает, что этот подход может привести к созданию более безопасных методов лечения заболеваний, связанных с серповидноклеточной анемией. Эти наследственные заболевания влияют на форму и функцию красных кровяных телец, часто вызывая сильную боль, повреждение органов и сокращая продолжительность жизни.
«Всякий раз, когда вы вырезаете ДНК, существует риск развития рака. И если вы проводите генную терапию для лечения пожизненного заболевания, это серьезный риск», — говорит профессор. — Говорит Кроссли.
«Но если мы сможем провести генную терапию, которая не будет включать в себя перерезание нитей ДНК, то мы избежим этих потенциальных ловушек».
Вместо того, чтобы разрезать ДНК, новый метод использует модифицированную систему CRISPR для доставки ферментов, которые удаляют метильные группы. Этот процесс запускает генетические тормоза, которые не дают работать определенным генам. Одной из ключевых мишеней является ген глобина у плода, который помогает доставлять кислород до рождения. Реактивация этого гена после рождения может помочь обойти дефекты в гене глобина у взрослых, которые вызывают серповидноклеточные заболевания.
«Вы можете представить себе фетальный ген глобина как тренировочные колеса на детском велосипеде», — говорит профессор. Crossley. «Мы верим, что сможем заставить их снова работать у людей, которым нужны новые колеса».
Что показывают результаты исследования на данный момент
До сих пор все эксперименты проводились в лабораторных условиях с использованием человеческих клеток в UNSW и в Мемфисе.
Соавтор исследования профессор Кейт Квинлан говорит, что результаты могут иметь далеко идущие последствия, выходящие за рамки серповидноклеточной анемии. Многие генетические заболевания связаны с неправильным включением или выключением генов, и корректировка метильных групп может стать способом устранения этих проблем без повреждения ДНК.
«Мы с нетерпением ждем будущего эпигенетического редактирования, поскольку наше исследование показывает, что оно позволяет нам повышать экспрессию генов без изменения последовательности ДНК. Методы лечения, основанные на этой технологии, вероятно, будут иметь меньший риск непреднамеренных негативных последствий по сравнению с CRISPR первого или второго поколения», — говорит она.
Забегая вперед, исследователи описывают, как эта терапия может однажды сработать на практике. Врачи будут собирать стволовые клетки крови пациента, из которых образуются красные кровяные тельца. В лабораторных условиях эпигенетическое редактирование будет использоваться для удаления метильных меток из гена глобина плода, что приведет к его реактивации. Затем отредактированные клетки будут возвращены пациенту, где они смогут осесть в костном мозге и начать производить более здоровые клетки крови.
Следующие шаги в эпигенетическом редактировании
Исследовательские группы UNSW и St Jude планируют протестировать этот подход на животных моделях и продолжить изучение дополнительных инструментов, основанных на CRISPR.
«Возможно, самым важным является то, что теперь стало возможным нацеливать молекулы на отдельные гены», — говорит профессор. — Говорит Кроссли.
«Здесь мы удалили или добавили метильные группы, но это только начало, есть и другие изменения, которые можно было бы внести, что расширило бы наши возможности по изменению продукции генов в терапевтических и сельскохозяйственных целях. Это самое начало новой эры».