CRISPR/Cas9 и эпигенетика

Джагаров Д.Э.
(«ХиЖ», 2016, №12)

Еще одним достижением уходящего 2016 года стала разработка способов избирательного воздействия на эпигеном — изменения активности генов без изменений в нуклеотидной последовательности ДНК. Редактирование эпигенома, по идее, должно быть гораздо безопаснее редактирования генома.

Хотя почти все клетки организма (за исключением эритроцитов, лишенных ядра, и некоторых иммунных клеток) имеют одну и ту же ДНК, они тем не менее различаются по физиологическим параметрам и специализации. Этими различиями они обязаны своему эпигеному, контролирующему набор генов, активных в конкретной клетке.  Среди механизмов воздействия на эпигеном наиболее важны метилирование ДНК и различные ферментативные модификации (метилирование, ацетилирование и фосфорилирование) определенных аминокислот в составе гистонов — белков, участвующих в упаковке ДНК. Говорят о паттерне (узоре) таких модификаций в геноме — именно он отличает геномы клеток с различными судьбами.

s 20161205 crispr.jpg
У людей одного и того же хронологического возраста может различаться биологический возраст, возраст эпигенома, определяемый по характеру метилирования ДНК. Одни моложе своего паспортного возраста, другие старше.  (По: «Nature Reviews Molecular Cell Biology, 2015, 16, 10, 593—610, doi: 10.1038/nrm4048)

Насколько специфичен паттерн метилирования ДНК? Вот лишь один пример: по характеру метилирования фрагментов ДНК, высвободившихся в кровь при гибели клеток во время того или иного заболевания, можно определить, из какой ткани или органа происходит данная ДНК, и таким образом выявить локализацию патологического процесса («Proceedings of the National Academy of Sciences USA», 2016, 113, 13, E1826—E1834, doi: 10.1073/pnas.1519286113). Более того, генетик Стив Хорват из Калифорнийского университета (Лос-Анджелес) в 2013 году разработал эпигенетические часы, позволяющие с большой точностью определить биологический возраст человека по метилированию ДНК и предсказать, какова вероятность, что он доживет до того или иного возраста. Эпигенетические часы проверил консорциум 25 институтов на образцах крови более 13 000 человек из США и Европы («Aging», 2016, 8, 9, 1844—1865, doi: 10.18632/aging.101020). Не помогут ли такие часы понять, почему некоторые люди умирают молодыми — иногда даже те, кто соблюдают правильную диету, занимаются спортом, практически не пьют и не курят?

 Логично задаться вопросом: если от метилирования ДНК зависят здоровье и продолжительность жизни человека, нельзя ли как-то изменить эту запись в нашем геноме?  Конечно, геном не паспорт, где можно подправить дату рождения и отретушировать фото. И все же, как недавно выяснилось, в будущем можно ожидать появления технологий таких «подчисток эпигенома» с целью радикального омоложения организма. Поводом для оптимизма стали новые разработки, основанные на технологиях CRISPR/Cas9.

Как мы уже писали (см. «Химию и жизнь», 2014, 7), не все CRISPR-технологии созданы для разрезания ДНК. Можно использовать каталитически неактивный белок Cas9, не способный делать разрез и поэтому названный dCas9 (dead Cas9) для целевой доставки на определенный участок геномной ДНК регуляторных белков — активаторов и ингибиторов гена либо ферментов, метилирующих ДНК или, наоборот, удаляющих метильную метку. Точность доставки, как и в разрезающей CRISPR-Cas9 системе, обеспечивает молекула РНК-гида, комплементарная нужному участку ДНК.

Эту идею уже испробовали для прямого перепрограммирования клеток в живом организме («Cell», 2016, 167, 233—247, doi:10.1016/j.cell.2016.08.056). Однако вполне возможно, что в скором времени изменение паттерна метилирования поможет противостоять старению организма и (или) возрастным болезням. Существует исследование,  авторам которого удалось существенно омолодить клетки костного мозга человека с помощью препарата, который просто подавляет активность фермента, метилирующего ДНК («Biotechnology and Applied Biochemistry», 2015, 62, 5, 583—590, doi: 10.1002/bab.1393). Конечно, такое «омоложение» неизбирательным препаратом напоминает ремонт ручных часов с помощью молотка и для омоложения человека не годится, поскольку неизбежно приведет к многочисленным побочным явлениям. Но важен сам факт: воздействие на эпигеном, очевидно, способно сбросить время на биологических часах. Предстоит тщательно выяснить, на какие гены следует воздействовать с помощью метилирующих ферментов dCas9. Это грандиозная и дорогостоящая работа, но ее результатом могут стать принципиально новые действенные лекарства от старости. 

Разные разности

18.11.2016 20:43:00

«Сейчас ко мне пришел Щербаков, злой, как черт, и сообщил, что банда этих механических идиотов (его собственные слова) сегодня ночью растащила один из крупных складов руды, приняв его, очевидно, за необычайно богатое месторождение. Программы у роботов были разные, поэтому к утру часть склада оказалась в пакгаузах ракетодрома, часть — у входа в геологическое управление, а часть вообще неизвестно где. Поиски продолжаются» (А. и Б. Стругацкие. Страна багровых туч). Хорошо было фантастам шутить о тупости роботов в не предвиденных программой обстоятельствах, а нам с этим жить.

>>
16.11.2016 20:39:00
Казалось бы, принадлежность к политической партии не должна сказываться на мнении о таком предмете, как глобальное изменение климата. Ан нет: американские социологи отмечают, что отношение к этой проблеме сегодня разделяет избирателей в той же степени, как отношение к абортам или свободной продаже оружия. >>
14.11.2016 20:35:00
...по результатам 21 исследования из 27, излучение на частотах, характерных для мобильных телефонов, негативно влияет на мужскую репродуктивную систему, в частности снижается подвижность сперматозоидов, увеличиваются производство активных форм кислорода и частота повреждений ДНК («Reproduction», 2016, doi: 10.1530/ REP-16-0126)... >>
11.11.2016 15:28:00

...Китай запустил «Тяньгун-2», свою вторую орбитальную лабораторию; пока она необитаема, но в ноябре туда отправятся два человека («Nature», 2016, doi: 10.1038/ nature.2016.20611)...

>>
29.10.2016 23:11:00

...создан биоробот в виде ската, плавники которого приводятся в движение светом; его тельце сделано из эластомера, а мышцы из клеток эмбрионов крысы («Science», 2016, 353, 6295, 158—162, doi: 10.1126/science.aaf4292)... 

>>