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

12.09.2018 18:00:00

Сотрудники геологического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова провели исследования арктического кратера на полуострове Ямал, выяснили причину его образования и открыли новое геологическое явление, ранее известное только для ледяных планет и планетоидов.

>>
07.09.2018 10:00:00

Сотрудник кафедры зоологии позвоночных МГУ имени М.В. Ломоносова в ходе международной экспедиции нашёл и описал новый вид тонконогих чесночниц. Вид назвали Leptobrachium tenasserimense.

>>
04.09.2018 10:00:00

...возможно, на Марсе есть подледное озеро жидкой воды шириной 20 км...


...редактирование геномов с помощью CRISPR-Cas9 может вызывать обширные делеции и геномные перестройки, затрагивающие многие тысячи нуклеотидов и потенциально патогенные...


...гугл-очки с функцией распознавания эмоций по выражению лица снижают проявления аутизма у детей...


>>
31.08.2018 10:00:00

Однозначно ответить на вопрос, какая сила позволяет паукам летать на своей расправленной паутине, никто не может почти двести лет. Похоже на электрическое явление, но никто пока что не собрался изучить связь паука с электричеством. Этот промах исправили Эрика Морли и Дэниэл Роберт из Бристольского университета.

>>
29.08.2018 13:00:00

Ответ на вопрос, заданный в заголовке, искали орнитологи во главе с Мартином Найфеллером из Базельского университета. Правда, не для всех птиц, а для тех, что уничтожают вредителей садов и огородов.

>>