Редактирование и инженерия генома

Геномная инженерия превращает считывание ДНК в её переписывание, используя программируемые инструменты, которые разрезают ДНК в выбранных местах, позволяя точно удалять, корректировать или вставлять последовательности.

Definition

Редактирование генома — это целенаправленное изменение ДНК организма в выбранном месте с использованием программируемых нуклеаз, наиболее известной из которых является система CRISPR-Cas, в которой направляющая РНК направляет фермент для разрезания соответствующей последовательности.

Scope

Эта тема охватывает основы технологии рекомбинантной ДНК, таргетные нуклеазы, предшествовавшие CRISPR, систему CRISPR-Cas9 и то, как направляющая РНК управляет расщеплением, пути репарации, которые завершают редактирование, базовое и прайм-редактирование, а также основные применения и этические аспекты редактирования геномов. Она рассматривает преднамеренную модификацию геномов; естественные источники изменения последовательностей рассматриваются в разделах «мутация» и «рекомбинация».

Core questions

• Как направляющая РНК направляет фермент Cas9 к определённой последовательности ДНК?
• Как клеточные пути репарации превращают целенаправленный разрез в делецию или точную коррекцию?
• Как базовое и прайм-редактирование изменяют ДНК без создания двухцепочечного разрыва?
• Какие применения и этические проблемы возникают из-за возможности редактировать геномы?

Key concepts

• Рекомбинантная ДНК и более ранние таргетные нуклеазы
• CRISPR-Cas9 и нацеливание с помощью направляющей РНК
• Репарация путём негомологичного соединения концов и гомологично-направленной репарации
• Базовое редактирование и прайм-редактирование
• Применения и этика редактирования

Mechanisms

При CRISPR-редактировании короткая направляющая РНК комплементарно связывается с целевой последовательностью ДНК и позиционирует нуклеазу Cas9 для разрезания обеих цепей; затем клетка репарирует разрыв либо путём негомологичного соединения концов с ошибками, что может нарушить работу гена, либо путём гомологично-направленной репарации с использованием предоставленной матрицы, что может привести к точному изменению, в то время как базовые и прайм-редакторы химически преобразуют или переписывают основания без полного двухцепочечного разрыва.

Clinical relevance

Редактирование генома привело к появлению одобренных методов лечения наследственных заболеваний крови, стимулирует исследования по коррекции болезнетворных мутаций и разработке клеточной терапии, а также поднимает значительные этические вопросы, особенно в отношении наследуемого редактирования зародышевой линии человека; эта статья носит образовательный характер и не является руководством по клиническому применению.

History

Методы рекомбинантной ДНК 1970-х годов впервые позволили разрезать и соединять гены, нуклеазы с цинковыми пальцами и TALEN обеспечили программируемое нацеливание в 2000-х годах, а демонстрация в 2012 году того, что CRISPR-Cas9 можно программировать с помощью направляющей РНК, сделала точное редактирование простым и широко распространённым, принеся Дудне и Шарпантье Нобелевскую премию по химии 2020 года.

Debates

Наследуемое редактирование зародышевой линии человека

Редактирование эмбрионов или половых клеток приведёт к передаче изменений будущим поколениям, поднимая нерешённые вопросы о безопасности, согласии, справедливости и границе между лечением и улучшением; большинство авторитетных источников в настоящее время считают клиническое редактирование зародышевой линии преждевременным и этически проблематичным.

Key figures

• Jennifer Doudna
• Emmanuelle Charpentier
• Feng Zhang

Seminal works

• jinek2012

Frequently asked questions

Как CRISPR узнаёт, где резать?

Короткая направляющая РНК несёт последовательность, соответствующую предполагаемой мишени; она комплементарно связывается с этой ДНК и доставляет фермент Cas9 в нужное место, поэтому изменение направляющей РНК перепрограммирует систему для разрезания другой последовательности.

Всегда ли CRISPR-редактирование точно?

Редактирование может иметь внецелевые эффекты, и репарация разреза не полностью контролируема, поэтому новые подходы, такие как базовое и прайм-редактирование, направлены на большую точность, и поэтому оценка безопасности является центральной для любого терапевтического применения.