В научном сообществе постоянно происходят новые открытия, позволяющие приблизиться к лечению серьезных болезней или тяжелых и неизлечимых на сегодняшний день, инфекций. Всего за несколько лет исследовательские лаборатории по всему миру освоили новую технологию, которая облегчает внесение определенных изменений в ДНК человека, животных, растений и бактерий. По сравнению с предыдущими методами модификации ДНК этот новый подход намного быстрее и проще трансформирует геном. Эта технология называется CRISPR/Cas-система, и она изменила не только то, как проводятся базовые исследования, но и то, как в будущем можно будет лечить заболевания, вызванные вирусами. Развитие этой технологии в скором времени, возможно, позволит искусственно создавать иммунитет ко многим опасным вирусам.
Что такое CRISPR: роль в борьбе с инфекциями
CRISPR — это сокращенное название Clustered Regulars Interspaced Short Palindromic Repeat (короткие палиндромные повторы, расположенные регулярными группами). Система CRISPR/Cas обнаружена в геномах бактерий и других микроорганизмов. CRISPR-кассета — это название относится к уникальным коротким фрагментам ДНК (до 48 пар нуклеотидов), частично палиндромным и повторяющимся. С ней ассоциированы участки Cas (гены, кодирующие определенные белковые молекулы). Хотя последовательности CRISPR кажутся простыми, они являются важнейшим компонентом иммунной системы бактерии или иных простых форм жизни. Иммунная система отвечает за защиту организма от инфекции и внешней агрессии. Как и тело человека, различные бактерии могут быть заражены вирусами, которые являются еще более маленькими инфекционными агентами.
Борьба бактериальных клеток против вирусов
Если вирусная инфекция угрожает бактериальной клетке, иммунная система CRISPR/Cas может помешать атаке, разрушив геном внедряющегося вируса. Любой вирус имеет внутри себя генетический материал, необходимый для продолжения репликации (размножения) вирионов внутри зараженных им клеток. Таким образом, разрушая вирусный геном, иммунная система CRISPR/Cas защищает бактерии от вирусной инфекции. Это свойство не помешало бы иметь и человеку, учитывая, что ему угрожают многочисленные вирусы, начиная от гриппа, и заканчивая ВИЧ. Если говорить просто, эта относительно небольшая система создает иммунитет, и патогенный вирус просто не может заразить клетки.
Механизмы CRISPR-опосредованного иммунитета
Пока CRISPR/Cas — это области, обнаруженные только в бактериальном геноме, которые помогают защищаться от вторжения вирусов. Их активно изучают, чтобы в дальнейшем проводить попытки создать подобный иммунитет на уровне ДНК и для людей. Структура CRISPR/Cas уникальной области, формирующей иммунитет против вирусной инфекции, состоит из:
- Лидерной последовательности, начальный фрагмент CRISPR-кассеты,
- Спейсеров — участков ДНК, «сфотографированных» у опасного вируса.
Когда ранее неизвестный ей вирус заражает бактерию, новый спейсер, полученный из вируса, внедряется в ДНК-цепочку. При помощи лидерной последовательности запускается считывание последовательности CRISPR, информация обрабатывается, происходит запоминание и хранение информации о перенесенной агрессии.
Гены Cas помогают не только запомнить информацию, но и затем активно ее использовать. Прежде всего, они встраивают новые «фотографии» вирусной ДНК внутрь CRISPR-кассеты. Плюс, они включают механизм уничтожение любых инфекционных агентов, имеющих последовательность ДНК, идентичную имеющейся «фотографии» из архива CRISPR-кассеты. Они же наводят порядок в цепочке кассеты, чтобы все «фотографии» были разделены одинаковыми участками (аналог проводов на елочной гирлянде).
Для уничтожения опасных мишеней используются белки или белковые комплексы, которые атакуют вирусную ДНК, разрушая ее на фрагменты. Другими словами, это своеобразный иммунитет, который позволяет увидеть и уничтожить куски чужой, вирусной ДНК, которые внедрились в клетку.
Как бактерии сопротивляются вирусной агрессии?
Важно отметить, что бактерии могут не только уничтожать незнакомый вирус, но и запоминать данные о нем, чтобы в дальнейшем активно отражать его повторные атаки. Между короткими ДНК-участками бактериальных CRISPR-кассет распределены короткие вирусные спейсеры. Эти спейсеры остались от ДНК вирусов, которые ранее атаковали бактерию-хозяина. Следовательно, спейсеры служат «генетической памятью» о предыдущих инфекциях. Если возникает повторная инфекция тем же вирусом, система защиты CRISPR/Cas немедленно уничтожит любую вирусную ДНК-последовательность, соответствующую спейсеру, и таким образом защитит бактерию от вирусной атаки.
Иммунная система CRISPR/Cas защищает бактерии от вирусных инфекций формируя иммунитет. Это происходит последовательно:
- Бактериальная клетка, имеющая CRISPR/Cas систему, заражается новым вирусом, который ей не знаком. Cas-белки режут ДНК из вторгающегося вируса, берут из нее короткие сегменты, вставляют в последовательность CRISPR-кассеты как новые спейсеры-«фотографии».
- Формируется иммунитет к этому вирусу, так как клетка его запомнила и хранит о нем в «архиве» информацию.
- Cas-белки выбирают из вирусной ДНК наиболее информативный участок, который максимально точно характеризует вирус. И этот участок всегда ставят в начало, рядом с лидерной частью цепочки. Таким образом бактериальная клетка приобретает устойчивость к определенным вирусам, передавая информацию всем последующим своим поколениям.
- На основе информации, имеющейся в CRISPR-кассете, синтезируется РНК, которая затем режется на кусочки, образуя комплексы с Cas-белками. Каждый такой комплекс РНК+ Cas-белок это своего рода «антитела» против определенной инфекции. Они следят за повторными заражениями и немедленно их устраняют.
Помочь в лечении болезней человека
Специфичность иммунитета на основе CRISPR/Cas в распознавании и уничтожении вторгающихся вирусов годится не только для бактерий. Применение этой системы крайне полезно для медицины и борьбы с болезнями человека, которые провоцируют вирусы. Кроме того, технологи пользуются в промышленности, для защиты полезных бактерий, используемых в производстве продуктов и лекарств.
Первоначальное открытие иммунитета CRISPR было сделано исследователями компании, занимающейся производством пищевых продуктов (йогурты и сыры).
Ученые используют технологию CRISPR/Cas в лаборатории для формирования точных изменений в генах мух-дрозофил, рыб, мышей, растений и даже клеток человека. Гены — это конкретные последовательности ДНК, которые дают инструкции о том, как строить и поддерживать клетки организма, устранять определенные болезни. Изменение в последовательности даже одного гена может значительно повлиять на работу клетки и, в свою очередь, на здоровье организма. Система CRISPR/Cas позволяет ученым модифицировать определенные гены, сохраняя при этом все остальные, таким образом, проясняя связь между данным геном и определенными болезнями организма.
Если говорить образно, эта технология — своеобразный текстовый редактор, в котором ДНК — это последовательность слов, из которой вырезаются определенные фрагменты и оценивается итоговый результат. Так выявляются болезни, закодированные в том или ином гене, и ищутся методы его активации или блокировки.
