Genoma rediģēšana: definīcija, metodes (CRISPR, ZFN) un pielietojumi

Genoma rediģēšana ir gēnu inženierijas veids, kas ļauj mērķtiecīgi mainīt organisma DNS secību, pievienojot, aizstājot vai izņemot konkrētas sekvences. Šī pieeja sniedz iespējas pētīt gēnu un olbaltumvielu funkcijas, radīt slimību modeļus, uzlabot lauksaimniecības kultūras un izstrādāt ģenētiskas terapijas cilvēkiem.

DNS tiek ievietota, aizstāta vai izņemta no genoma, izmantojot mākslīgi radītas nukleāzes jeb "molekulārās šķēres". Nukleāzes veic specifiskus dubultās virknes pārrāvumus (DSB) vēlamajās genoma vietās, un šūnas dabiskie remontmehānismi labo radītos pārrāvumus. Atkarībā no remonta ceļa var iegūt dažādus rezultātus: nejauša savienošana bez šablona (NHEJ) parasti izraisa inaktivējošas mutācijas (knockout), bet homoloģās rekombinācijas (HDR) ceļš ļauj precīzi ievietot vai nomainīt secības, ja klāt ir rekombinācijas šablons.

Galvenās metodes un rīki

• ZFN (zinc-finger nukleāzes) — speciāli veidotas proteīnu domēnu un nukleāzes hibrīdas, kas mērķē noteiktas DNS sekvences. ZFN var ražot, lai sagrieztu noteiktu vietu genomā, taču to dizains un ražošana ir tehniski sarežģīti.
• CRISPR-Cas sistēmas — plaši izmantota, vienkārša un elastīga metožu grupa, kur kā mērķēšanas elements tiek izmantots īss gids-RNS, kas vada Cas nukleāzi uz precīzu genomisko vietu. CRISPR tehnoloģija atvieglo mērķu izvēli un ātri paplašināja genoma rediģēšanas pielietojumus.
• TALENs (Transcription Activator-Like Effector Nucleases) — proteīnu bāzētas nukleāzes, kas pēc specifiskuma atgādina ZFN, taču to veidošana ir elastīgāka un ļauj mērķēt plašāku sekvenču spektru.
• Meganukleāzes — dabīgi vai inženieriski modificētas nukleāzes ar garāku pre-identifikācijas secību, kas nodrošina augstu specifiskumu atsevišķos gadījumos.
• Jaunāki paņēmieni: bāzu rediģēšana (base editing) un "prime editing" — tehnoloģijas, kas ļauj veikt precīzas bāzu izmaiņas bez dubultās virknes pārrāvuma vai ar minimālu DSB.

Praktiskas darbības piemēri un pētījumu pieejas

Lai izprastu kāda gēna vai olbaltumvielas funkciju, pētnieki var mērķtiecīgi iejaukties gēna secībā un novērot tā ietekmi uz organizmu. Tomēr dažos organismos ir grūti vai neiespējami veikt vietai specifisku mutāciju, tāpēc izmanto netiešākas metodes. Piemēri ir šādi:

• Interesējošā gēna apklusināšana ar īsās RNS interferences (siRNA) palīdzību. Tomēr gēnu traucēšana ar siRNA var būt mainīga un nepilnīga — tā nereti samazina ekspresiju, nevis pilnībā izslēdz gēna funkciju.
• Genoma rediģēšana ar nukleāzēm, piemēram, ZFN. Tas atšķiras no siRNA. Izstrādātā nukleāze (enzīms, kas sagriež DNS) spēj modificēt DNS saistīšanos. Tāpēc tā principā var sagriezt jebkuru mērķa vietu genomā un mainīt secības gēniem, uz kuriem nevar mērķtiecīgi iedarboties ar parasto RNNAi.

Piegādes veidi

Rediģēšanas komplektus (nukleāzi + gidu vai DNS šablonu) var piegādāt dažādos veidos, atkarībā no mērķa šūnu tipa un pielietojuma:

• Vēlējie vektori (adenovīrusi, lentivīrusi, AAV)
• Ribonukleoproteīnu (RNP) komplekti — tieša proteīna un gids-RNS ievadīšana, samazina ilgstošu ekspresiju un potenciālo off-target risku
• Lipidās nanodaļiņas un citi nanotransportieri
• Elektroporācija, mikroinjekcija, mikroinjektēšana embrijos vai šūnu kultūrās

Drošība, ierobežojumi un ētika

Genoma rediģēšana piedāvā lielu potenciālu, taču ir vairāki ierobežojumi un riski:

• Off-target efekti — rediģēšana var radīt nesekmīgas vai nevēlamas izmaiņas citās genoma vietās.
• Mosaicisms — īpaši attiecībā uz embriju rediģēšanu, rediģēšana var nebūt vienmērīga visās šūnās.
• Imūnreakcijas pret vektoriem vai rediģēšanas komponentiem (piem., Cas proteīniem).
• Ētiskas un sabiedriskas bažas, īpaši par cilmes šūnu un embriju rediģēšanu, kā arī par iespējamām ģenētiskām nevienlīdzībām.

Dabas metožu žurnāls Nature Methods izvēlējās genoma rediģēšanu par 2011. gada metodi. Šī metode jau tiek izmantota klīniskos pētījumos un pētījumos lauksaimniecībā, taču modificētu embriju implantēšana sievietēm vairākumā valstu vēl nav atļauta un ir stingri regulēta.

Pielietojumi

• Pētījumi: gēnu funkciju izpēte, slimību modeļu izveide.
• Medicīna: ģeniskās terapijas (ex vivo terapijas, piemēram, rediģētas imūnšūnas vēža ārstēšanā; in vivo terapijas gēnu deficītu labošanai), potenciālas ārstēšanas iedzimtām slimībām.
• Lauksaimniecība: slimībizturīgu vai barības vielām bagātinātu kultūru izstrāde, dzīvnieku selekcija ar vēlamām īpašībām.
• Biotehnoloģija: fermentu optimizācija, bioproduktu ražošana.

Nākotnes perspektīvas

Tehnoloģijas turpina attīstīties — uzlabojas precizitāte, samazinās off-target efekti, parādās jaunas rediģēšanas metodes (piem., prime editing). Lai pilnvērtīgi izmantotu genoma rediģēšanas potenciālu, nepieciešama stingra regulācija, drošības pārbaudes un sabiedrības diskusija par ētiskajiem aspektiem.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir genoma rediģēšana?

J: Kā genoma rediģēšanā izmanto inženierijas nukleāzes?

J: Kādi ir daži netiešo metožu piemēri, ko izmanto, lai izprastu gēnu funkciju?

Jautājums: Kāpēc genoma rediģēšana tika izvēlēta par 2011. gada "Nature Methods" metodi?

J: Vai ir dažādi inženierijas nukleāžu veidi, ko var izmantot genoma rediģēšanai?

J: Ar ko siRNA atšķiras no citām metodēm gēnu funkcijas izpratnei?

J: Vai pašlaik ir atļauts implantēt modificētus embrijus sievietei?

Meklēt pēc burta