From the smallest single-celled organism to the largest creatures on earth, every living thing is defined by its genes. The DNA contained in our genes acts like an instruction manual for our cells. Four building blocks called bases are strung together in precise sequences, which tell the cell how to behave and form the basis for our every trait. But with recent advancements in gene editing tools, scientists can change an organism’s fundamental features in record time. They can engineer drought-resistant crops and create apples that don’t brown. They might even prevent the spread of infectious outbreaks and develop cures for genetic diseases. CRISPR is the fastest, easiest, and cheapest of the gene editing tools responsible for this new wave of science. But where did this medical marvel come from? How does it work? And what can it do?
От самого маленького одноклеточного организма до крупнейших созданий на Земле — каждое живое существо определяется своими генами. ДНК в наших генах действует подобно инструкции для клеток. Четыре элемента, или основания, связанные между собой в определённом порядке, обуславливают поведение клетки и генетические признаки человека. Но благодаря последним достижениям генной инженерии учёные научились изменять основные свойства организмов в рекордные сроки. Они могут создать засухоустойчивые зерновые культуры и яблоки, которые не темнеют на срезе. Они могли бы даже предотвратить вспышки инфекционных заболеваний и создать лекарства от генетических заболеваний. CRISPR — самый быстрый, простой и дешёвый из инструментов модификации генов, играющий большу́ю роль в развитии этой науки. Как появилось это медицинское чудо? Как оно работает? И на что оно способно?
Surprisingly, CRISPR is actually a natural process that’s long functioned as a bacterial immune system. Originally found defending single-celled bacteria and archaea against invading viruses, naturally occurring CRISPR uses two main components. The first are short snippets of repetitive DNA sequences called “clustered regularly interspaced short palindromic repeats,” or simply, CRISPRs. The second are Cas, or “CRISPR-associated” proteins which chop up DNA like molecular scissors. When a virus invades a bacterium, Cas proteins cut out a segment of the viral DNA to stitch into the bacterium’s CRISPR region, capturing a chemical snapshot of the infection. Those viral codes are then copied into short pieces of RNA. This molecule plays many roles in our cells, but in the case of CRISPR, RNA binds to a special protein called Cas9. The resulting complexes act like scouts, latching onto free-floating genetic material and searching for a match to the virus. If the virus invades again, the scout complex recognizes it immediately, and Cas9 swiftly destroys the viral DNA.
Удивительно, но CRISPR на самом деле является естественным процессом, служащим бактериям в качестве иммунной системы. Этот процесс был впервые обнаружен в одноклеточных бактериях и археях при отражении ими вирусов. CRISPR, возникающий в естественных условиях, состоит из двух компонентов. Первый компонент — короткие фрагменты повторяющихся последовательностей ДНК, которые называются короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами, или просто CRISPR. Второй компонент — Cas, или CRISPR-ассоциированные белки, которые расщепляют ДНК, как молекулярные ножницы. Когда вирус проникает в бактерию, белки Cas вырезают часть вирусной ДНК и вшивают его в область CRISPR, делая химический снимок инфекции. Эти вирусные коды затем копируются в короткие фрагменты РНК. В наших клетках эта молекула выполняет множество функций, но в случае CRISPR РНК соединяется со специальным белком Cas9. Образуемые комплексы действуют подобно разведчикам, цепляясь за свободно плавающий генетический материал в поиске ДНК, идентичных ДНК вируса. Если вирус снова атакует, образуемые комплексы-разведчики сразу его распознáют
Lots of bacteria have this type of defense mechanism. But in 2012, scientists figured out how to hijack CRISPR to target not just viral DNA, but any DNA in almost any organism. With the right tools, this viral immune system becomes a precise gene-editing tool, which can alter DNA and change specific genes almost as easily as fixing a typo.
и Cas9 незамедлительно уничтожит вирусную ДНК. Подобный тип защитного механизма присутствует у многих бактерий. И вот в 2012 году учёным удалось раскрыть секрет CRISPR и начать использовать его не только против вирусной ДНК, но применительно к любой ДНК почти в любом организме. При соблюдении необходимых условий эта противовирусная иммунная система становится точным инструментом редактирования генов, способным изменять ДНК и определённые гены
Here’s how it works in the lab: scientists design a “guide” RNA to match the gene they want to edit, and attach it to Cas9. Like the viral RNA in the CRISPR immune system, the guide RNA directs Cas9 to the target gene, and the protein’s molecular scissors snip the DNA. This is the key to CRISPR’s power: just by injecting Cas9 bound to a short piece of custom guide RNA scientists can edit practically any gene in the genome.
почти так же легко, как мы исправляем опечатку в тексте. Вот как это происходит в лаборатории: учёные создают ведущую РНК, соответствующую гену, который они хотят изменить, и присоединяют его к Cas9. Как и вирусная РНК в иммунной системе CRISPR, ведущая РНК направляет Cas9 к заданному гену, и молекулярные ножницы белка вырезают участок ДНК. Успех технологии CRISPR заключается в том, что введя эндонуклиазу Cas9, связанную с небольшим фрагментом ведущей РНК,
Once the DNA is cut, the cell will try to repair it. Typically, proteins called nucleases trim the broken ends and join them back together. But this type of repair process, called nonhomologous end joining, is prone to mistakes and can lead to extra or missing bases. The resulting gene is often unusable and turned off. However, if scientists add a separate sequence of template DNA to their CRISPR cocktail, cellular proteins can perform a different DNA repair process, called homology directed repair. This template DNA is used as a blueprint to guide the rebuilding process, repairing a defective gene or even inserting a completely new one.
учёные могут отредактировать практически любой ген в геноме. Как только ДНК вырезается, клетка пытается восстановить её. Как правило, специальные белки нуклеазы обрабатывают разорванные концы и соединяют их между собой. Но в процессе репарации, который называется негомологичным соединением концов, случаются ошибки, в результате чего наблюдаются лишние или недостающие основания. Образуемый ген часто оказывается более непригодным и отключается. Но если учёные добавят отдельную последовательность матричной ДНК в смесь CRISPR, клеточные белки смогут выполнить иной процесс репарации ДНК, а именно гомологичную репарацию. Эта матричная ДНК используется для руководства процессом репарации дефектного гена или даже вставки нового гена.
The ability to fix DNA errors means that CRISPR could potentially create new treatments for diseases linked to specific genetic errors, like cystic fibrosis or sickle cell anemia. And since it’s not limited to humans, the applications are almost endless. CRISPR could create plants that yield larger fruit, mosquitoes that can’t transmit malaria, or even reprogram drug-resistant cancer cells. It’s also a powerful tool for studying the genome, allowing scientists to watch what happens when genes are turned off or changed within an organism.
Способность исправлять ошибки ДНК означает, что с помощью технологии CRISPR мы можем разработать новые методы лечения заболеваний, являющихся результатом генетических ошибок, например кистозного фиброза или серповидноклеточной анемии. И поскольку область её применения не ограничивается человеком, то и возможности почти беспредельны. С помощью CRISPR учёные могут создать высокоурожайные растения, комаров, которые не будут переносить малярийных паразитов, или даже перепрограммируют лекарственно-устойчивые раковые клетки. CRISPR также является мощным инструментом изучения генома, позволяющим учёным наблюдать за тем, что происходит в организме, когда гены отключаются или изменяются.
CRISPR isn’t perfect yet. It doesn’t always make just the intended changes, and since it’s difficult to predict the long-term implications of a CRISPR edit, this technology raises big ethical questions. It’s up to us to decide the best course forward as CRISPR leaves single-celled organisms behind and heads into labs, farms, hospitals, and organisms around the world.
Метод CRISPR пока далёк от совершенства. При его использовании могут случаться и непреднамеренные изменения, и, поскольку бывает трудно предсказать долгосрочные последствия метода CRISPR, использование этой технологии требует решения важных этических вопросов. Именно нам предстоит определить дальнейшую судьбу метода CRISPR, вышедшего за пределы иммунной системы одноклеточных организмов и проникшего к нам в лаборатории, фермы, больницы и организмы по всему миру.