В 2013 году статья молодого биолога Фэна Чжана (Feng Zhang) и его коллег в журнале Science произвела настоящую революцию в мире генной инженерии. Опираясь на опыт предыдущих исследований, учёные предложили простой и эффективный способ редактирования ДНК любых живых организмов от дрожжей и сельскохозяйственных культур до человека с использованием молекулярного механизма, подсмотренного у одноклеточных.
Система, получившая название CRISPR ("сгруппированные регуляторные разделенные промежутками короткие палиндромные повторы"), появилась в результате противостояния бактерий и их главных врагов – вирусов бактериофагов. С её помощью подвергшиеся нападению клетки по короткому фрагменту ДНК узнают штаммы инфекционных агентов, с которыми уже встречались их предки. Направляющие РНК подводят к распознанному участку генетического кода вируса фермент-ножницы, который уничтожают врага, разрезая цепочку.
Эти комплексы оказались чрезвычайно сложны, но исследователи научились управлять системами, использующими в качестве ножниц белок Cas9, чтобы вырезать генетические ошибки, изменять или добавлять фрагменты ДНК в самых разных клетках. Правда, при помощи существующего метода довольно сложно вставить в геном новый участок. Поэтому молекулярные биологи не остановились на достигнутом и сразу начали искать возможность улучшить точность инструмента. И, похоже, Чжан, которому работа с CRISPR/Cas9 уже принесла должность профессора и собственную лабораторию в Массачусетском технологическом институте, снова выиграл гонку.
Его команда перебрала сотни ферментов, которые потенциально можно использовать в качестве молекулярного скальпеля. Внимание учёных привлёк белок Cpf1, который используют некоторые бактерии с CRISPR. Оценив эффективность ферментов Cpf1, выделенных из 16 разных видов одноклеточных, группа обнаружила, что два из них могут быть использованы в клетках человека.
Как сообщается в статье, опубликованной в журнале Cell, главное преимущество Cpf1 по сравнению с Cas9 – меньший размер, что облегчает перенос молекулы в зрелые клетки. Кроме того, новому ферменту требуется только одна наводящая РНК, в то время как Cas9 помогают две молекулы. Такие системы будет гораздо проще и дешевле в изготовлении, при этом точность вносимых изменений окажется выше, сообщают Чжан и коллеги.
Способ разрезания ДНК у двух белков оказался разным. Cas9 режет обе нитки ДНК в одном и том же месте, оставляя так называемые "тупые концы". Cpf1 создаёт в месте разреза "липкие концы", когда одна нить обрезана чуть короче другой. В первом случае работать с молекулой ДНК труднее, потому что новый фрагмент кода может случайным образом прикрепиться не к той нити. "Липкие концы" отличаются друг от друга, что позволяет точно прикреплять вставку в нужном месте.
"Ещё слишком рано говорить, превзойдёт ли в популярности новый белок Cas9, – рассказывает Чжан в пресс-релизе. – Но уже сейчас видно, что он имеет ряд важных преимуществ".
Система CRISPR/Cas9 всего за три года получила такое распространение, что вызвала ожесточённую патентную войну между научными центрами. Чжан обещает, что его лаборатория сделает новые компоненты доступными для академических исследований, как это было с их предыдущими разработками.
Кстати, коллеги и конкуренты учёного не собираются останавливать собственные поиски новых элементов системы редактирования генов. Они говорят, что в области генной инженерии никогда не знаешь точно, какие инструменты окажутся лучше в будущем.
