Як CRISPR дозволяє редагувати ДНК

Короткі паліндромні повтори, регулярно розташовані групами (англ. CRISPR) — це прямі повтори та унікальні послідовності в ДНК бактерій і архей, що забезпечують захист клітини від чужорідних генетичних елементів.

Увага: Через позицію правовласника щодо вмісту дане відео українською було видалене з Ютуб каналу "Цікава наука". Ви зможете знайти його на Толоці.

Від найменших одноклітинних і до найбільших організмів на землі кожна жива істота визначається своїми генами.
ДНК, ділянками якої є гени, діє подібно до інструкцій для клітин.
Чотири будівельні блоки, які називаються основами, з'єднані між собою в певні послідовності, які обумовлюють функціонування клітин і є основами кожної нашої риси.
Завдяки останнім досягненням генетичної інженерії вчені отримали можливість змінювати основні риси організму за рекордно короткий час.
Вони можуть створювати посухостійкі зернові культури, або яблука, які не темніють після розрізання.
Вчені, навіть, можуть запобігти поширенню інфекцій і розробити ліки проти генетичних захворювань.
КРІСПР найшвидший, найпростіший і найдешевший з інструментів редагування генів, відповідальний за нову хвилю розвитку цієї науки.
Але звідки взялося це медичне диво?
Як працює ця система?
І на що вона здатна?
КРІСПР насправді є природним процесом, який дуже довго функціонує як бактеріальна імунна система.
Бувши вперше виявленим в одноклітинних бактерій і архей як противірусний захист, КРІСПР використовує два основні компоненти.
Перший компонент — короткі повтори повторюваних послідовностей ДНК.
Їхня назва — короткі паліндромні повтори регулярно розташовані групами, або просто КРІСПР.
Другий компонент — це Кас (Cas), або КРІСПР-асоційовані білки, які розрізають ДНК наче молекулярні ножиці.
Коли віруси, які ще називають бактеріофагами, атакують бактерію, білки Кас вирізають частину вірусної ДНК і вшивають її в ділянку КРІСПР, захоплюючи таким чином своєрідний хімічний знимок інфекції.
Ці вірусні коди потім копіюються в короткі фрагменти РНК.
Молекули РНК відіграють багато ролей в наших клітинах, але у випадку КРІСПР спеціальна РНК з'єднується з білком Кас-9.
Утворені комплекси діють як розвідники, зв'язуючись з вільно плаваючим генетичним матеріалом і шукаючи збіги з вірусною ДНК.
Якщо вірус знову проникне в клітину, ці розвідувальні комплекси відразу його розпізнають і Кас-9 швидко розріже вірусну ДНК.
Багато бактерій мають такий захисний механізм.
І ось у 2012 році вченим вдалось взяти під контроль КРІСПР, щоб націлити його не лише на вірусну ДНК, а і на будь-яку іншу ДНК в майже якому завгодно організмі.
За допомогою правильних інструментів ця противірусна імунна система стає точним інструментом редагування генів, який здатний змінювати ДНК і специфічні гени майже так само легко, як ми виправляємо помилку в тексті.
Ось як це працює в лабораторії.
Вчені створюють направляючу, або гідову РНК, відповідно гену, який вони хочуть відредагувати й приєднують її до Кас-9.
Як і вірусна РНК в імунній системі КРІСПР, гідова РНК направляє Кас-9 до гена-мішені, і молекулярні ножиці білка розрізають ДНК в цьому місці.
Це і є ключем до надзвичайних можливостей КРІСПРу.
Просто ввівши Кас-9, зв'язаний з коротким фрагментом гідової РНК, учені можуть відредагувати практично будь-який ген в геномі.
Як тільки ДНК розрізається, клітина одразу намагається відновити її.
Зазвичай, ферменти під назвою нуклеази обрізають розірвані кінці й з'єднують їх між собою.
Але цей тип відновлення розриву, під назвою негомологічне з'єднання кінців, має тенденцію до помилок, що може стати причиною зайвих, або відсутніх основ.
Утворений ген часто є непридатним до використання і вимикається.
Проте, якщо вчені додадуть окрему послідовність ДНК-шаблона до коктейлю КРІСПР, клітинні білки зможуть виконувати іншій процес відновлення ДНК, а саме гомологічну репарацію.
Цей шаблон ДНК використовується як план, чи інструкція для керування процесом відновлення, під час якого виправляється дефектний ген, або вставляється зовсім новий ген.
Здатність виправляти помилки ДНК означає, що за допомогою технології КРІСПР ми можемо розробити нові методи лікування захворювань, пов'язаних зі специфічними генетичними помилками, як от фіброзу кісток, або серповидноклітинної анемії.
А оскільки її використання не обмежено лише людиною, то і застосування майже безмежні.
За допомогою КРІСПР можна створювати високоврожайні культури, комарів, які не зможуть переносити малярійних плазмодіїв, або, навіть, перепрограмовувати стійкі до ліків ракові клітини.
КРІСПР також є потужним інструментом вивчення геному, що дозволяє вченим спостерігати, що відбувається, коли певні гени вимкнені, або зазнали змін.
Метод КРІСПР-Кас поки далекий від досконалості, він не завжди вносить лише бажані зміни.
А оскільки важко передбачити довгострокові наслідки редагування за допомогою КРІСПР, ця технологія підіймає серйозні етичні питання.
Ми повинні вирішити, як краще рухатися далі, оскільки КРІСПР вийшов за межі імунної системи одноклітинних організмів і прямує в лабораторії, ферми, лікарні, а також організми по всьому світу.