Что такое геном и для чего его редактировать?

18:21 18 октября Киев, Украина

Геном - это совокупность всей генетической информации в клетке - генов и некодирующих участков, проще говоря код жизни внутри всех живых организмов. Обычно генетическая информация закодирована в виде последовательности четырех нуклеотидных азотистых оснований - аденина, гуанина, цитозина и тимина в структуре молекулы ДНК. Впрочем гены некоторых вирусов, которые не являются клетками, записанные в молекуле РНК, в которой тимин заменен урацилом, но это тоже называется геномом. Последовательности этих основ, которых в геноме может быть много миллиардов, определяют структуру и функционирование организма. И даже замена одного основания может привести к генетическим заболеваниям.

А для чего его редактировать?
В 90-х годах прошлого века технологии достигли такого уровня, что мы научились с достаточной точностью определять нуклеотидные последовательности, и сделали это с геномами многих организмов, в том числе и человека. Но "прочитать" геном - не значит понять его. Чтобы определить, что кодируют отдельные последовательности, ученые их сначала выключают. Похоже, если бы вы хотели понять, как работает инопланетный радиоприемник, и поочередно отключали бы каждую деталь. Редактирование генома предоставляет эту возможность, поэтому является важным инструментом исследования в генетике. Кроме этого, с помощью редактирования можно создавать модельные организмы, которые имеют необходимые для исследования определенного вопроса свойства. 
Ну а одним из самых остроинтересным и спорным применением этих технологий является, конечно, же лечение заболеваний, в основном генетических. Суть заключается в исправлении ошибочных генов или предоставлении клетке отсутствующих функций. Такие методы лечения уже сейчас существуют. Например, ряд стран одобрил для использования терапию спинальной мышечной дистрофии препаратом "Золгенсма" с помощью метода редактирования генома.
 
Можно ли с помощью изменения генома вылечить любые генетические заболевания?
Исследования с использованием технологии редактирования генома человека главным образом сосредоточены на изобретения лечения онкологических и наследственных болезней, имеющих четкий генетический фактор, на который можно нацелиться. Однако пока речь преимущественно идет только о моногенных заболеваниях, когда болезнь вызывает один или два дефектных гена. В таком случае цель понятна. Но не мало заболеваний являются результатом сложного взаимодействия различных генов и факторов окружающей среды, например, шизофрения или сахарный диабет. Пока неизвестно, как вылечить такие заболевания, особенно с применением технологий редактирования генома.
Редактируя геном, мы меняем конкретных особей или их будущее потомство?
Модификации генома могут передаться потомству только в случае, если изменения внесены в зиготу или половые клетки - яйцеклетки или сперматозоиды. Ученые пока не одобряют проведение таких вмешательств, поскольку нам все еще не хватает необходимых знаний о безопасности геномного редактирования. Но в основном для лечения заболеваний достаточно внести изменения только в определенную группу соматических клеток, например, клетки крови, которые не могут передаться по наследству. Поэтому в таком случае мы меняем только конкретных особей, а не их будущее потомство.

Ну а как редактируют геном? Это о технологии CRISPR?
Способов изменить геном много, но самыми популярными являются методы "цинковых пальцев», TALEN и CRISPR. Поводом для Нобелевской премии 2020 стала именно последняя из них и самая современная технология - CRISPR, которая позволяет вносить очень точные изменения в геном.
Эта технология не является стопроцентным изобретением ученых, они ее подсмотрели у бактерий и архей, что в течение многих миллионов лет использовали систему CRISPR для защиты от вирусов. Она расшифровывается как Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats, что в переводе означает короткие кластерные палиндромные повторы. Название четко изображает суть: в геноме бактерий есть участок с повторяющимися фрагментами, которые разделяют уникальные участки. Последние являются частицами генома вирусов, которые когда-то проникли в клетки, но были усмирены, а их фрагменты встроены в собственный геном организма, чтобы в будущем иметь возможность распознать возбудителя. Это как фоторобот. Когда микроорганизм снова атакует какой-то вирус, то его находят белки Cas, несущие информацию в виде РНК о вирусных фрагментах из участка CRISPR. Если эта информация совпадает с фрагментом ДНК или РНК нового вирусного нападающего, то Cas его распознает, разрезает и в конце обезвреживает вирус.
 
Нынешние нобелевские лауреаты Эммануэль Шарпентье и Дженнифер Дудна 2012 описали технологию, благодаря которой CRISPR / Cas можно использовать, чтобы нацелено разрезать молекулы ДНК в любых клетках. Они показали, что белка Cas вместо вирусного фрагмента можно внести РНК, соответствующую области ДНК, которую нужно разрезать в геноме. Например, дефектный ген. Кроме молекулы с "фоторобота" целевой последовательности, в клетку вводят молекулу-образец, по которому разрезанная ДНК будет исправлена уже правильным образом. Принцип работы технологии редактирования CRISPR является относительно простым, дешевым и точным, чтобы ею могли пользоваться многочисленные лаборатории во всем мире, поэтому многие ученые возлагают на нее большие надежды.
А менять человеческий геном вообще законно?
Правительства стран по-разному относятся к таким технологиям. Например, в большинстве из них запрещены эксперименты с модификацией человеческих эмбрионов, и ситуация еще больше осложнилась после заявления китайского исследователя Хэ Цзянькуя. В конце 2018 он сообщил, что провел изменения генома эмбрионов, в результате которого на свет появились две девочки, устойчивых к ВИЧ. А в этом году Международная комиссия по клиническому использованию редактирования генома человеческих клеток зародышевой линии в своих рекомендация сильно ограничила целесообразные случаи изменения эмбрионов и половых клеток. Однако ученые находят лазейки и вполне законно ставят опыты с человеческими эмбриональными клетками, которые не имеют шансов стать детьми.