Дослідники великі надії покладають на систему CRISPR/Cas9, що дозволяє вносити з великою точністю зміни до генома живих істот, у тому числі і людей Періодично з'являються нові наукові роботи, які розповідають про різного роду різновиди даної технології та їх модифікації. Лише цього року таких модифікацій було кілька.
Слід зазначити, що CRISPR/Cas9 є системою адаптивного імунітету мікроорганізмів, зокрема, бактерій, що допомагає їм боротися з різними вірусами. Складається вона з певних ділянок ДНК, які називають спейсерами та відповідають фрагментам ДНК інфекції. Спейсери займаються кодуванням специфічних молекул crРНК, що зв'язуються з білковим ферментом Cas9. Комплекс, який утворюється в результаті, з'єднується з ланцюжком ДНК вірусу, а білок працює як ножиці, перерізаючи цей ланцюжок.
Вчені говорять про те, що система CRISPR/Cas9 є лише однією з багатьох подібних систем, які використовуються бактеріями та археями. Їх можна поділити на кілька класів. До першого вчені відносять системи I, III, IV типів, у другий – системи II, V типів. Система II типу містить білковий фермент Cas9, який бере участь у накопиченні в клітині crРНК, одержанні нових спецесерів та розрізанні ДНК. Інші системи для цього використовують мультибілкові комплекси. Завдяки цьому II тип читається найпростішим видом подібних систем, який підходить для потреб генної інженерії.
У свою чергу, типи можуть ділитися на підтипи – все залежить від додаткових генів, які пов'язані з CRISPR. Зокрема, тип IIA містить ген csn2, що кодує білок, який зв'язується з ДНК і бере участь у придбанні нових спецесерів. Системи IIB даного гена позбавлені, але в них є ген cas4, функцію якого вчені поки не визначили, а в системі типу IIC немає жодного, ні іншого гена.
Усі CRISPR-системи, відомі вченим, було виявлено у складі бактерій, вирощених за умов лабораторії. Разом з тим, існує безліч некультивованих археїв і бактерій, які здебільшого мешкають в екстремальних умовах – у занедбаних шахтах у токсичних водоймах та мінеральних джерелах. Втім, вчені можуть виділити ДНК із них та виявити відповідні ділянки. В одній зі своїх нових робіт, яка була опублікована наприкінці грудня, дослідники Каліфорнійського університету говорять про те, що їм вдалося розшифрувати геноми з природних мікроорганізмів, виявивши нові види CRISPR-систем.
Вчені встановили, що деякі маловивчені види археоподібних організмів ARMAN також мають систему CRISPR/Cas9, тим часом як раніше дослідники вважали, що вона властива виключно бактеріям. Генетики відзначають, що дана система знаходиться між підвидами IIC і IIB і служить захистом від так званих паразитичних генів, що стрибають, або транспозонів, які потрапляють з архей в мікроорганізми. Вчені спробували відтворити в кишковій паличці активність виявленої CRISPR-системи, але їх спроби не увінчалися успіхом. Це, за словами дослідників, може свідчити про існування невідомих додаткових специфічних механізмів, які регулюють систему.
Крім цього, вчені виділили також нові види систем з бактерій, які мешкають у підземних відкладах та водах. Зокрема, йдеться про системи всередині другого класу – CRISPR/CasX та CRISPR/CasY. Перша система містить білки CasX, Cas1, Cas2 та Cas4. Перший із цих білків, як показали дослідження, має нуклеазну активність, іншими словами – він, подібно до білкового ферменту Cas9, може розщеплювати чужорідну ДНК. Але в той же час це відбувається лише в тому випадку, коли перед вірусними фрагментами є послідовність TTCN, в якій N є будь-яким з чотирьох нуклеотидів. Подібні послідовності називають РАМ. Система CRISPR/Cas9 також має свою РАМ – NGG, і вона повинна розташовуватися перед вірусними спейсерами. Крім цього, система CRISPR/CasY може розрізати ДНК у тому випадку, коли поряд зі спейсером є послідовність РАМ – ТА.
Вчені впевнені в перспективності свого відкриття виду того, що всі ці виявлені системи є найбільш компактними з відомих їм зараз. За словами дослідників, для роботи систем CRISPR/CasX та CRISPR/CasY потрібна невелика кількість білків, що робить їх найзручнішими інструментами в процесі редагування ДНК. Крім того, під час метагеномних досліджень, в яких вивчається ДНК із навколишнього середовища, можна спробувати виявити нові різновиди CRISPR-систем, які будуть корисні для генної інженерії.
Генетики відзначають, що у природі існує альтернатива пошуку CRISPR-систем. Це вдосконалення тієї технології, яка існує. Вона досить точна, але в той же час припускається деяких помилок, наприклад, розрізає ДНК не в тому місці, що не дає можливості вносити в гени правильні зміни і лікувати ефективно спадкові захворювання. Саме тому вчені шукають способи поліпшення роботи системи. Протягом 2016 року з'явилося чимало наукових досліджень, які були покликані модифікувати технологію CRISPR та перетворити її на різні генні інструменти.
Наприклад, на початку грудня вчені з університету Торонто, які створили систему анти-CRISPR, яка за наявності певних умов вимикає механізм. Таким чином, якщо направляюча РНК з'єднається не з тим ферментом, активність білка Cas9 пригнічується і помилки можна уникнути. До складу анти-CRISPR входить три білки, які інгібують нуклеазу. Цілком очевидно, що спочатку система була винайдена зовсім не вченими, а вірусами, що знешкоджують таким чином імунітет бактерій.
На початку літа спільними зусиллями американських та російських дослідників було підтверджено, що система CRISPR/C2c2, яку отримали з фузобактерії Leptotrichia shahii, може різати одноланцюгову РНК. Таким чином, система CRISPR може бути використана для пригнічення активності матричної РНК, яка переносить інформацію між генами та рибосомами, в яких на підставі цієї інформації відбувається синтез білка.
У травні фахівцями Каліфорнійського університету було створено технологію CRISPR-EZ, завдяки якій у вчених з'явилася можливість вставляти нові молекули ДНК у геноми мишачих ембріонів із майже стовідсотковою точністю. Система CRISPR/Cas9 вноситься за допомогою невеликого електричного розряду та мікроскопічної голки до запліднених яйцеклітин тварин. У своїх дослідженнях вчені зуміли внести мутацію в гени у 88 відсотків гризунів, а це число перевищує кількість генномодифікованих тварин, яку вдалося отримати за допомогою технології генного редагування з використанням звичайних ін'єкцій.
У квітні молекулярними біологами з Массачусетського університету після застосування мутантного варіанта Cas9 без нуклеазної активності була розроблена технологія CRISPRainbow. Напрямна РНК, яка вказувала на місце прикріплення ферментів, містила флуоресцентні мітки, за рахунок чого вчені отримали можливість відстежити переміщення генетичних мобільних елементів.
В даний час вчені вже замислюються над тим, щоб застосовувати CRISPR-технології при створенні генномодифікованих організмів, зокрема малярійних комарів, які поширюватимуть шкідливі гени серед своїх диких родичів. Даний метод зветься генного драйву: у тому випадку, якщо один із батьків мав мутантний ген, то з 50-відсотковою ймовірністю він передасть його своєму потомству. Це відбувається з тієї причини, що батько має дві копії генів, одна з яких дефектна. Система CRISPR може цей мутантний ген копіювати та вставляти у здоровий ген. Зрештою, нащадки отримають 100-відсоткову мутацію.
У 2016 році експертами Консультативного комітету з рекомбінантної ДНК було схвалено заявку Пенсільванського університету про проведення досліджень з генетичної модифікації людини за допомогою системи CRISPR/Cas9.
Але набагато швидше виявилися китайські вчені. У листопаді в одному зі спеціалізованих видань з'явилося повідомлення про те, що вони ввели вперше в історії в організм людини модифіковані за допомогою технології CRISPR/Cas9 гени. Вчені з крові хворого на метастазуючий рак пацієнта витягли Т-лімфоцити або імунні клітини, після чого застосували технологію CRISPR/Cas9, відключивши ген, що кодує білок PD-1. Цей білок пригнічує імунітет, сприяючи зростанню ракової пухлини. Дослідники збільшили кількість відредагованих клітин, після чого запровадили їх назад в організм людини. Але зараз поки невідомо, чи зможе генна терапія впоратися з хворобою.
Крім цього, технології CRISPR можуть використовуватися для боротьби зі спадковими захворюваннями людини та ВІЛ. У той же час, щоб розробити ефективні методи лікування, потрібне проведення подальших досліджень. Безперечно, ні про які мутанти, як у фантастичних фільмах, не йдеться, але у вчених з'явиться можливість швидко створювати генномодифіковані організми, наприклад, сільськогосподарські рослини, стійкі до паразитів. А звичайним людям залишається лише гадати, чому вчені, які відкрили систему CRISPR і вигадали, як і де її можна використати, досі не отримали Нобелівську премію.
