Эволюция генной инженерии

Чарльз Герсбах, адъюнкт-профессор биомедицинской инженерии в Университете Дьюка, руководит лабораторией, которая занимается разработкой и применением инструментов редактирования генома, в первую очередь технологии на основе CRISPR.

CRISPR-Cas — это бактериальная защитная система, которая позволяет бактериям использовать молекулы РНК и ассоциированные с CRISPR (Cas) белки для нацеливания и уничтожения ДНК вторгающихся вирусов. Открытие этой техники положило начало революции в редактировании генома, поскольку исследователи начали изучать, как её можно использовать для точного нацеливания и редактирования ДНК в человеческих клетках. За годы, прошедшие с момента открытия, Герсбах и его лаборатория использовали эту технологию для изучения генетических заболеваний, таких как мышечная дистрофия Дюшенна, точного контроля экспрессии генов и даже разработки инструментов для повышения точности CRISPR.

Фокус на программировании экспрессии генов

Исследователь выбрал это направление, стремясь внести вклад в регенеративную медицину и терапию. Он понял, что экспрессия генов является центральным компонентом самых разных областей биомедицинских исследований. Во всех случаях учёные применяли внешние стимулы (механическую силу, электрический ток), надеясь, что внутри клетки включатся нужные гены. Герсбаха заинтересовал вопрос: существует ли более прямой способ запрограммировать экспрессию генов?

Путь к CRISPR

До CRISPR существовали другие технологии:

  • Инженерные цинковые пальцы (zinc fingers) — могли модифицировать определённые участки генома, но технология была сложной в использовании.
  • TALENs — более простой в использовании инструмент для нацеливания на специфические последовательности генома.

Однако с появлением CRISPR в 2013 году ситуация изменилась. CRISPR оказался чрезвычайно прост в использовании. Первые две статьи по применению CRISPR в человеческих клетках были опубликованы в Science 3 января 2013 года. Уже через три недели лаборатория Герсбаха получила плазмиды и успешно провела собственные эксперименты с CRISPR, а первая статья лаборатории на эту тему вышла спустя шесть месяцев.

Исследование мышечной дистрофии Дюшенна (DMD)

Первый проект лаборатории, начатый в 2009 году, был посвящён редактированию генов для лечения DMD с помощью технологии цинковых пальцев. DMD — самое распространённое наследственное генетическое заболевание, вызывающее прогрессирующую дегенерацию мышц.

Традиционные подходы (модификация стволовых клеток или доставка гена с помощью вирусов) были сложны, так как мутированный ген при DMD — один из самых крупных в геноме человека. Поэтому идея «исправить» уже существующую в геноме копию гена, а не доставлять новую, показалась привлекательной. Лаборатория работала над этим подходом, используя цинковые пальцы и TALENs, а затем перешла на CRISPR.

Работа продолжается: недавно в Nature Medicine была опубликована статья, показавшая, что однократное системное лечение может корректировать мутацию DMD у мышей более года.

Будущее CRISPR: вызовы и возможности

Ограничения и цели: Одной из важных задач является разработка методов редактирования генов без разрезания генома. Решением может стать новая версия CRISPR или совершенно иная технология. Существует множество вариантов CRISPR-систем (Cas9, Cas12, Cas13, Cas14, Cas3, Cascade), каждая из которых имеет уникальное применение.

Перспективы:

  1. Клинические испытания: В этом году начались первые клинические испытания CRISPR на людях для лечения рака, серповидноклеточной анемии и редких наследственных форм слепоты. Результаты ожидаются в ближайшие год-два.
  2. Интеграция в разработку лекарств: CRISPR уже стал неотъемлемой частью процесса создания лекарств — не только как потенциальная терапия, но и как инструмент для создания модельных систем и клеточных линий, что помогает разрабатывать более эффективные препараты. Компания Герсбаха Element Genomics использует эти инструменты именно для содействия разработке лекарств.