Революция в биотехнологиях. Мутагенная цепная реакция. Чем на этот раз удивила система CRISPR/cas9?

Не так давно научное сообщество было потрясено возможностями, которые открывает перед генной инженерией система CRISPR/Cas9. Но последний из изобретённых способов применения этой системы бактериального иммунитета выходит за все границы ожиданий учёных. И имя ему — мутагенная цепная реакция.

Мутагенная цепная реакция (дальше МЦР), это процесс с помощью которого искусственная система, вносящая сайт-специфические изменения в геном может размножаться! Далеко идущим следствием этого является возможность вносить изменения в геномы целых популяций. Как же это работает?

В первую очередь стоит упомянуть о том, что происходит после прицельного разрезания участка генома CRISPR/Cas9 системой. Возможны несколько путей развития событий. Негомологичное сшивание концов (NHEJ) ДНК является не точным и делает разрезанный ген не функциональным. Репарация путём гомологичной рекомбинации (HR) даёт возможность залатать разрез при наличии последовательности, которая станет «заплаткой». Пути репарации изображены на рисунке ниже:

Ключ к контролю этого процесса состоит в том, что заплаткой может стать любая последовательность. Требуется лишь наличие особых участков в фрагменте с ней. Эти участки — так называемые гомологичные плечи (HA1; HA2), которые соответствуют последовательностям по обе стороны разреза. Фрагментом с заплаткой может служить олигонуклеотидная последовательность или плазмида. Таким образом, доставляя в клетку плазмиду с CRISPR/Cas9 системой и плазмиду с заплаткой фланкированной гомологичными плечами, мы получаем возможность вставить в определённое место генома определённую последовательность. Но исследователи на этом не остановились и совместили эти две плазмиды в одну. Заплаткой стала сама CRISPR/Cas9 система. После направляемой гомологией репарации, будучи встроенной в геном, такая заплатка совершит двухцепочечный разрез в аллельном фрагменте генома и при повторной гомологичной рекомбинации перейдёт с гетерозиготного состояния в гомозиготное, что приводит к 100% наследованию CRISPR/Cas9 системы:

Если добавить в плазмиду в качестве заплатки помимо CRISPR/Cas9 системы ещё какой-то элемент, то с ним произойдёт то же самое. Условие состоит лишь в том, чтоб заплатка располагалась между гомологичных плечей. Исследователи провели эксперимент, в котором 97% потомков второго поколения в популяции несли встроенный с помощью МЦР ген (кодирующий пигмент). Таким образом они путём единичной инвазии в геном создали целую популяцию бледно-жёлтых мутантных дрозофил.

(в эксперименте система была встроена в X-хромосому)

(Варианты фенотипа. 97% особей имело бледно-жёлтый окрас. Остальные несли дикий тип окраса, или же мозаичный. Это говорит о том, что метод не идеален, но 97% — впечатляющая эффективность)

Перспективы этого метода просто колоссальные. Генная терапия, выведение популяций с запрограммированными свойствами, экономичное и быстрое распространение нужных генов. И это только начало. CRISPR/Cas9 — это настоящая революция в биотехнологии. В 1987 году никто и не мог подумать о том, что этот невзрачный, но тем не менее распространённый среди архей и бактерий новооткрытый генетический кластер даст человеческой цивилизации такие фантастические возможности.

Схема метода

Источник

Gantz V., Bier E. (2015). The mutagenic chain reaction: A method for converting heterozygous to homozygous mutations. Science. doi: 10.1126/science.aaa5945

http://biomolecula.ru/content/1636