Модифікація ДНК як метод лікування

На сьогодні генна інженерія досягла неймовірних висот. Те, що здавалося фантастикою в 1953 році для Уотсона та Кріка, є реальністю у 2021. Серед різноманіття технологій модифікації ДНК, що використовуються науковцями вже сьогодні, хотілося б звернути увагу на одну з найбільш перспективних у цій галузі — методику CRISPR/Cas9, за відкриття якої у 2020 році Емманюель Шарпантье та Дженніфер Дудна отримали Нобелівську премію. Цей винахід є важливим проривом у генній інженерії та відкриває перед людством незліченні можливості, від лікування спадкових хвороб до потенційної перемоги над ВІЛ.

Технологія CRISPR/Cas9 насправді не є новою, а лише запозиченою в прокаріотичних клітин (бактерій), у яких вона виконує функцію захисту від бактеріофагів уже протягом багатьох мільйонів років. Власне CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) являє собою сегмент геному бактерій, що містить у собі частинки ДНК вірусів, з якими попередньо контактував даний мікроорганізм. Таким чином створюється щось на зразок бібліотеки вірусних фрагментів, що є еквівалентом імунної системи. Згаданий фрагмент є основою для утворення комплементарної guide RNA (gRNA), що циркулює в бактерії до моменту наступного зіткнення з чужорідним організмом. При повторному потраплянні вже відомого бактеріофага до прокаріотичної клітини gRNA поєднується з належною ділянкою вірусного геному, після чого до утвореного комплексу приєднується білок Cas9. Він є своєрідними «ножицями», що перетинають ДНК вірусу, таким чином інактивуючи її. Даний процес проілюстровано на малюнку.

Дослідивши даний механізм, науковці вирішили застосувати його в якості методу генної інженерії. Створення gRNA в умовах лабораторії, комплементарної до необхідної ділянки ДНК, дозволяє дослідникам прицільно перетинати геном еукаріотичних клітин (миші, потенційно люди), вживлюючи їм комплекс білку Cas9 та gRNA. Однак простим розрізуванням цей процес не завершується. Порушену цілісність ДНК необхідно відновити. Це може відбутися за двома сценаріями: негомологічне з’єднання кінців або гомологічна репарація.

Принцип негомологічного з’єднання полягає у звичайному зшиванні вільних кінців ДНК. Оскільки даний процес не є досконалим, зазвичай під час поєднання кінців ланцюгів відбувається делеція або додавання декількох нуклеотидів, що на практиці дає змогу науковцям вимкнути необхідний ген шляхом переривання його цілісності. З іншого боку, використовуючи явище гомологічної репарації, дослідники мають можливість «імплантувати» донорський фрагмент ДНК до вже існуючої послідовності. Вищеописані сценарії схематично зображені на зображенні.

Основними перевагами методу є відносна простота у використанні, швидкість створення необхідних gRNA та бюджетність у порівнянні з його аналогами (ендонуклеази з «цинковими пальцями», ендонуклеази TALEN). Звичайно, жоден метод не ідеальний, і CRISPR/Cas9 не є виключенням. Так, наприклад, для приєднання білка Cas9 цільова ДНК має містити відповідну ділянку PAM (protospacer adjacent motif), що є обмежувальним фактором у використанні цього методу. Окрім того, усе ще присутня можливість створення розривів ДНК у хибних місцях. Втім, прогрес не стоїть на місці й науковці постійно працюють над удосконаленням цієї технології.

Легко собі уявити, які можливості в майбутньому відкриє для нас застосування CRISPR/Cas9. На даний момент активно ведуться дослідження щодо лікування цілого ряду хвороб, як наприклад:

1. Серповидноклітинна анемія та 𝛽-таласемія — у двох дослідженнях, CLIMB THAL-111 та CLIMB SCD-121 вчені, інгібувавши ген BCL11A (що є відповідальним за пригнічення синтезу фетального гемоглобіну (HbF)), досягли значного полегшення симптомів хвороб за рахунок збільшення синтезу HbF, який, не маючи ураженої 𝛽-субодиниці, зберігає свої функції.
2. Муковісцидоз — коригування мутації в гені CFTR, що спричиняє утворення в’язкого слизу в легенях та інших органах, може бути одним зі способів ліквідування даної недуги.
3. М’язова дистрофія Дюшена — вирізавши мутований екзон 23 з гену Dmd, дослідникам вдалося частково відновити синтез дистрофіну в мишей.
4. Синдром набутого імунодефіциту людини — в одному з досліджень, прицільно видаляючи гени tat і rev (ключові елементи в процесі реплікації ВІЛ-1), науковцям вдалося порушити його розмноження.

Цей список можна продовжувати й надалі такими патологіями, як хвороба Гантінгтона, спадкова сліпота, вірусні захворювання (COVID-19, грип), та навіть злоякісні новоутворення. Однак використання CRISPR/Cas9 не обмежується лише медициною. Також, її можна використовувати для розробки нових ліків, у сільському господарстві, створенні нових матеріалів та синтезу біопалива.

Тож, спостерігаючи за щоденним розвитком генної інженерії, ми можемо бути певними в тому, що ці технології в найближчому майбутньому не лише рятуватимуть чимало людей, але і значно полегшать наше життя.