Гены теперь можно включать и выключать

Может ли человек сам регулировать работу своих генов в реальном времени? Американские биологи уверяют, что да. Они создали уникальную методику, позволяющую включать или выключать любой ген по желанию экспериментатора. С ее помощью можно будет успешно лечить многие наследственные недуги — например, некоторые разновидности врожденной слепоты.

Фото:

Мы знаем, что ценность любого гена самого по себе не особенно высока — важно то, работает ли он в данный момент или нет. Многие серьезные заболевания (например, рак или системная красная волчанка) происходят именно из-за того, что-либо ненужные гены оказались активными, либо нужные — отключенными. Если бы люди смогли включать и выключать отрезки собственной ДНК по мере необходимости, многих неприятностей удалось бы избежать.

Тем не менее, долгое время такая регуляция генома в режиме реального времени была невозможна даже теоретически. Ученые просто не представляли себе, как это можно делать — ведь ДНК высших животных защищено от внешних воздействий куда лучше, чем MacOs от вирусов. До наследственной молекулы, хранящейся в ядре, бдительные "стражники" белковой природы не допускают практически ни одно чужеродное вещество. Конечно, в ядро могут проникать многие вирусы, однако создать таковой, который был бы полностью управляем, и занимался бы лишь переключением генов, а ничем иным, практически невозможно.

Впрочем, один способ регуляции активности генов, который уже давно используется биотехнологами, достаточно прост. Речь идет о разрезании молекулы ДНК в месте локализации нужного гена при помощи определенного фермента. После такой "операции" ген автоматически выключается и не может функционировать. Чаще всего для этого используют так называемые нуклеазы с цинковыми пальцами — структурными элементами, содержащими ион цинка, которые могут связываться с определенными участками ДНК.

Однако набор этих нуклеаз весьма ограничен, поэтому они могут "заглушить" далеко не всякий ген. Поэтому с недавних пор молекулярные биологи стали использовать морфолиновые олигонуклеотиды. Они представляют собой короткие синтетические нуклеотидные цепочки, которые могут распознать любой ген — по желанию экспериментаторов. Присоединяясь к клеточной ДНК, они блокируют активность того или иного ее участка, хотя лишь на какое-то время — по его истечении блокада снимается и ген снова начинает работать.

Основываясь на этой технологии, биологи из Клинике Майо (Рочестер, США) разработали оригинальный метод, позволяющий по желанию исследователя включать и выключать любой ген в живом организме. В статье, опубликованной в журнале Nature, авторы рассказывают об использовании ими ферментов-нуклеаз TALEN (Transcription Activator-Like Effector Nuclease). Они представляют собой гибридные белки, часть которых взята у бактерий, а часть — у высших организмов. Именно бактериальный фрагмент, как оказалось, способен распознавать участки ядерной ДНК и связываться с ним. А из-за того, что этот фрагмент необычайно изменчив,какиморфолиновые олигонуклеотиды, его можно "натаскать" на распознавание любого гена.

Другой же кусок молекулы TALEN — это собственно нуклеаза, то есть фермент, способный разрезать нить ДНК. Так что работают эти гибридные белки следующим образом — они подходят к конкретному гену, бактериальная часть узнает, правильный ли "адрес", и если все в порядке, нуклеаза делает в этом месте разрез. А в сам разрез вставляется с помощью других ферментов синтетическая регуляторная нуклеотидная последовательность, представляющая собой регуляторный участок. После этого ученые добавляли специальные вещества, которые "переключали" это регулятор из положения "включить ген" в положение "выключить" и наоборот.

Исследователи проделали эту работу на забавных аквариумных рыбках, которые называются полосатые данио (Danio rerio). В их эмбрионы были вставлены регуляторы одного из генов, отвечающих за социальное поведение. После в течении всей жизни подопытных рыбок ученые добавляли в аквариумную воду вещества, влияющие на регулятор. В результате данио по желанию исследователей превращались то в агрессивных асоциалов, то в компанейских стайных животных. То есть метод регуляции активности гена в реальном времени оказался весьма эффективным.

По словам одного из участников эксперимента, Джеймса Райела из Лондонского университетского колледжа: "Этот метод открывает большие перспективы для генетических экспериментов с данио. Например, теперь мы можем напрямую "переписать" исходные генетические последовательности, и это даст нам возможность точнее контролировать работу генов, сбой который приводит к возникновению неизлечимых заболеваний".

Соавтор Райела, профессор Стивен Эккер из клиники Майо уточняет, что все эти исследования касаются лишь регуляции генов животных и их методика никогда не будет применяться на людях. "Хотя мы сосредоточились на рыбках данио, имеются перспективы использования этого же подхода и на других модельных объектах — например, на крысах, мышах, мухах и червях" — говорит он. Впрочем, по словам Эккерта, роду человеческому от этого тоже будет польза. Например, сейчас ведутся работы по регуляторной модификации некоторых мышиных стволовых клеток, которые после этого можно будет пересаживать и людям.

А вот Райел, в отличие от своего коллеги, считает, что в дальнейшем можно будет использовать эту методитку и для лечения человеческих болезней. "В перспективе мы могли бы использовать такое "редактирование" ДНК, например, для того, что бы включить ген из клеток сетчатки глаза, пассивность которого приводит к врожденной слепоте" — утверждает исследователь. Что же, возможно он и прав — революционная технология, открытая американскими молекулярными биологами, скорее всего, через какое-то время сможет покончить с наследственными заболеваниями людей, прежде считавшимися неизлечимыми.

Читайте самое интересное в рубрике "Наука и техника"