Возможность редактирования генов будоражит умы людей и вызывает множество споров. Так что же представляет собой генное редактирование и какие перспективы открывает перед современной биологией и медициной? 

Генетическая информация закодирована в виде текста, состоящего из сочетания четырех букв: А, Г, Т и Ц. Если на одну среднюю книжную страницу приходится 6 тыс. букв, то генетическая информация человека будет записана в книге, состоящей из миллиона страниц. Технологии редактирования генов позволяют изменять генетический «текст». Можно заменить одну или несколько букв в коде, или, наоборот, удалить лишние или вставить дополнительные буквы. Кроме того, можно вставить целые новые «главы» (трансгены), тем самым внося в геном живого объекта новый признак. Например, генные инженеры могут добавить в геном растений или животных ген устойчивости к определенным антибиотикам и токсинам, или ген, который кодирует флуоресцентный белок, благодаря чему трансгенный организм будет светиться при воздействии на него ультрафиолетом. Гены редактируют «молекулярными ножницами», например, широко известными инструментами CRISPR/Cas9 или TALEN, которые изначально были элементами системы защиты бактерий и растений от патогенов, а ученые адаптировали их для генетических манипуляций. Эти «молекулярные ножницы» могут вносить разрезы практически в любом месте «текста» генома. В местах разрезов как раз и происходят в дальнейшем вышеупомянутые текстовые корректировки. 

Все это делается, конечно, не просто ради интереса или красоты, а имеет конкретную прикладную цель. Наиболее перспективно применение редактирования генов в сельском хозяйстве, например для создания ГМО-животных и растений с улучшенными признаками (больше мышечная масса и удои у скота, шампиньоны, которые не темнеют, пшеница со сниженным содержанием глютена и т. д.), и, что наиболее актуально, в биомедицине, о чем и пойдет речь. 

Генное редактирование позволит лечить множество заболеваний человека, включая наследственные болезни, вирусные инфекции, а также онкологические заболевания. Некоторые технологии уже активно применяются в современной медицине. Так, с помощью инструмента CRISPR/Cas9 проводят терапию наследственных заболеваний крови, созданы иммунные клетки, борющиеся с раковыми клетками, ведутся активные исследования по лечению ВИЧ. Еще одной областью применения генного редактирования является создание животных и культур клеток, которые могут быть использованы в качестве модельных объектов в биомедицинских исследованиях. С помощью таких моделей можно тестировать новые лекарства и проводить детальные исследования различных биологических процессов в норме и при патологиях. 

Сотрудники лаборатории эпигенетики развития Института цитологии и генетики СО РАН под руководством профессора, доктора биологических наук Сурена Закияна используют технологии генного редактирования для создания моделей наследственных заболеваний человека, а также трансгенных моделей на основе культивируемых клеток человека. Безусловно, моделирование в чашке Петри не может полностью отражать сложные процессы, происходящие на уровне целого организма. Однако преимущества таких клеток не стоит недооценивать. Во-первых, это клетки человека, что само по себе является главным достоинством таких моделей по сравнению с животными моделями. Во-вторых, их можно «нарабатывать / наращивать» в больших количествах по относительно низкой цене. И, в-третьих, редактировать гены на уровне клеток сравнительно проще и точнее, чем на уровне эмбрионов животных. 

Лаборатория использует технологии редактирования генов в двух основных направлениях — создание изогенных и трансгенных клеточных культур. Изогенные клетки полезны для исследования мутаций, вызывающих наследственные заболевания. Такие клетки имеют абсолютно идентичный генетический «текст» и отличаются друг от друга только конкретной ошибкой — мутацией. Зачем нужны изогенные клетки? Одним из основных ограничений в биомедицинских исследованиях клеток человека от разных доноров является то, что геномы всех людей отличаются друг от друга однобуквенными заменами во многих генах. Эти замены могут оказывать значительный эффект на протекание того или иного заболевания. Например, у пациентов с одним и тем же наследственным заболеванием первые симптомы могут начать проявляться в разном возрасте. Кроме того, тяжесть протекания заболевания тоже может различаться. Отсутствие таких однобуквенных замен в геноме изогенных клеток позволяет исключить этот фактор и исследовать эффект исключительно мутации (как если бы у одного близнеца мутация была, а у другого идентичного близнеца ее не было). 

Трансгенные клеточные культуры позволяют наблюдать и изучать различные процессы в клетках. Учеными из лаборатории уже созданы клетки с трансгенами, позволяющими детектировать окислительный стресс в клетках, вызванный увеличением уровня активных форм кислорода. В нормальных условиях здоровая клетка с трансгеном не светится. Однако если воздействовать на клетку какими-либо токсическими веществами или, например, клетка имеет мутацию, вызывающую болезнь Паркинсона, то в клетке запускаются патологические процессы и она краснеет. Затем можно добавить в питательную среду к клеткам лекарство-кандидат, и если клетки прекращают светиться, то можно делать вывод об эффективности лекарства. Кроме того, такой биосенсор позволяет отделить красные клетки от несветящихся и по отдельности изучать особенности двух популяций. 

В уже обозримом будущем клетки, полученные с помощью технологии генного редактирования, войдут в незаменимый инструментарий исследований патологий человека с целью поиска конкретных генов-мишеней, воздействуя на которые можно точно остановить или предотвратить развитие патологии. Более того, эти клеточные модели станут «идеальной» платформой для широкомасштабного высокопроизводительного тестирования новых лекарственных соединений. 

Туяна Маланханова, старший лаборант лаборатории эпигенетики развития Института цитологии и генетики СО РАН (Новосибирск) 

Источники

Редактирование гена: как и зачем
Коммерсантъ (kommersant.ru/nauka), 13/08/2020

Похожие новости

  • 22/01/2020

    Академический час для школьников: лекция «Актуальные задачи на стыке нейробиологии, биофизики и компьютерного моделирования»

    ​22 января 2020 года в 15:00 в малом зале Дома ученых СО РАН состоится лекция директора Института систем информатики им. А.П. Ершова СО РАН Андрея Юрьевича Пальянова «Актуальные задачи на стыке нейробиологии, биофизики и компьютерного моделирования».
    855
  • 20/11/2019

    В новосибирском Академгородке пройдет очередной Академический час для школьников

    ​20 ноября 2019 года в 15.00 в Малом зале Дома ученых СО РАН состоится лекция  кандидата биологических наук Сергея Викторовича Кулемзина (ИМКБ СО РАН) "Клеточная иммунотерапия: перспективы и проблемы".
    846
  • 02/01/2019

    Юбилей академика Николая Петровича Гончарова

    ​Николай Петрович Гончаров родился 2 января 1959 года в г. Тулуне Иркутской области. В 1981 году окончил биологическое отделение факультета естественных наук Новосибирского государственного университета.
    2266
  • 19/10/2018

    Картофель: когда Россия избавится от импортозависимости по семенам?

    Картофель - "второй хлеб", без которого сибиряк долго прожить не сможет. Обязательно соскучится. Но почему уже с февраля на прилавках магазинов лежит не свой, а египетский? Сейчас, осенью, собрав урожай, сибиряки часть закладывают на семена для будущего года.
    1170
  • 11/08/2020

    Академгородок 2.0 – приобретения и потери: мнения экспертов

    Что удалось сделать для развития Новосибирского научного центра за последние годы и какие задачи остаются нерешенными? Три известных российских ученых инвентаризируют достижения и проблемы в статье, написанной для «Континента Сибирь»*.
    664
  • 31/03/2017

    Академик Николай Колчанов рассказал о развитии Селекционного центра

    30 марта на территории новосибирского Академпарка прошло очередное заседание членов Совета «Сибирской биотехнологической инициативы» (СБИ). СБИ – это программа, объединяющая объекты инновационной инфраструктуры и органы власти Сибирского федерального округа, в целях развития биотехнологий, медицины и фармацевтики.
    2856
  • 12/02/2019

    Академику Владимиру Шумному исполняется 85 лет

    ​Владимир Константинович Шумный родился 12 февраля 1934 года в селе Ховмы Борзянского района Черниговской области. В 1958 году окончил Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова по специальности «ботаника».
    1320
  • 10/01/2017

    Академику Николаю Колчанову исполнилось 70 лет

    ​Николай Александрович Колчанов родился 9 января 1947 года в с. Кондрашино Омской области. В 1971 году окончил Новосибирский государственный университет. С 1974 года работает в Институте цитологии и генетики СО РАН, а с 2008 года - директор этого института.
    2793
  • 20/06/2018

    Возможные перспективы Академгородка 2.0

    ​Ведущие ученые СО РАН продолжили обсуждение проектов развития научной инфраструктуры Новосибирского научного центра. Новосибирский институт органической химии им. Н.Н. Ворожцова СО РАН выступил инициатором проекта «Сибирский центр малотоннажной химии».
    2105
  • 03/11/2017

    ​​В ИЦиГ СО РАН прошли переговоры о сотрудничестве с Академией сельскохозяйственных наук Китая

    1 ноября ФИЦ "Институт цитологии и генетики СО РАН" посетила делегация представителей китайской науки и бизнеса. Главная цель визита - заключение соглашения о сотрудничестве, в рамках которого должны быть созданы два совместных селекционно-семеноводческих центра, один в Новосибирске (на базе ФИЦ ИЦиГ СО РАН), второй - в Пекине (Институт овощеводства и цветоводства).
    1928