Какво Е Crispr?

{h1}

Crispr технологията е прост, но мощен инструмент за редактиране на геноми. Това позволява на изследователите лесно да променят последователностите на днк и да променят функцията на ген.

CRISPR технологията е прост, но мощен инструмент за редактиране на геноми. Това позволява на изследователите лесно да променят последователностите на ДНК и да променят функцията на ген. Многобройните му потенциални приложения включват коригиране на генетични дефекти, лечение и предотвратяване на разпространението на болести и подобряване на културите. Обещанието му обаче поражда и етични опасения.

В популярна употреба, "CRISPR" (произнася се "по-ясен") е стенограма за "CRISPR-Cas9." CRISPR са специализирани участъци от ДНК. Протеинът Cas9 (или "CRISPR-асоцииран") е ензим, който действа като двойка молекулярни ножици, способни да отрязват нишки на ДНК.

CRISPR технологията беше адаптирана от естествените защитни механизми на бактерии и археи (домейнът на едноклетъчните микроорганизми). Тези организми използват получена от CRISPR РНК и различни Cas протеини, включително Cas9, за да фолират атаки от вируси и други чужди тела. Те го правят предимно чрез рязане и унищожаване на ДНК на чужд нашественик. Когато тези компоненти се прехвърлят в други, по-сложни организми, това позволява манипулиране на гени или "редактиране".

До 2017 г. никой наистина не знаеше как изглежда този процес. В статия, публикувана на 10 ноември 2017 г. в списанието Nature Communications, екип от изследователи, ръководени от Микихиро Шибата от университета Каназава и Хироши Нишимасу от Токиоския университет, показаха как изглежда, когато CRISPR е в действие за първия време. [Дишащи нови GIF показва CRISPR дъвчене на ДНК]

CRISPR-Cas9: Основните играчи

CRISPRs: "CRISPR "означава" групи от редовно взаимосвързани къси палиндромни повторения. "Това е специализирана област на ДНК с две различни характеристики: наличието на нуклеотидни повторения и раздалечители. Повтарящите се последователности от нуклеотиди - градивните части на ДНК - се разпределят в CRISPR Разделителите са битове на ДНК, които се преплитат между тези повторени последователности.

В случай на бактерии, спейсерите се вземат от вируси, които преди това са атакували организма. Те служат като банка от спомени, което позволява на бактериите да разпознават вирусите и да се борят с бъдещите атаки.

Това беше демонстрирано за първи път експериментално от Родолф Барангу и екип от изследователи от Danisco, компания за хранителни съставки. В документ от 2007 г., публикуван в списанието Science, изследователите са използвали Streptococcus thermophilus бактерии, които често се срещат в киселото мляко и други млечни култури, като техен модел. Те забелязаха, че след вирусна атака, в областта CRISPR са включени нови спейсъри. Нещо повече, ДНК последователността на тези дистанционери е идентична с части от вирусен геном. Те също така манипулират спейсърите, като ги изваждат или пускат нови вирусни ДНК последователности. По този начин те успяха да променят устойчивостта на бактериите срещу атака от специфичен вирус. Така изследователите потвърдиха, че CRISPR играят роля за регулиране на бактериалния имунитет.

CRISPR РНК (crRNA): След като се включи спейсер и вирусът атакува отново, част от CRISPR се транскрибира и обработва в CRISPR РНК, или "crRNA." Нуклеотидната последователност на CRISPR действа като шаблон за получаване на допълваща последователност от едноверижна РНК. Всяка crRNA се състои от нуклеотидно повторение и спейсерна част, според преглед от 2014 г. на Дженифър Дудна и Емануел Чарпентие, публикуван в списание Science.

Cas9: Протеинът Cas9 е ензим, който реже чуждата ДНК.

Протеинът обикновено се свързва с две РНК молекули: crRNA и друга, наречена tracrRNA (или "транс-активираща crRNA"). След това двамата насочват Cas9 към целевия сайт, където той ще направи своя разрез. Това пространство на ДНК е комплементарно към 20-нуклеотиден участък от кРНК.

Използвайки два отделни региона или "домейни" в структурата си, Cas9 отрязва двете нишки на ДНК двойната спирала, правейки това, което е известно като "двуверижен пробив", според статията от 2014 г. за науката.

Има вграден механизъм за безопасност, който гарантира, че Cas9 не просто реже навсякъде в генома. Кратките ДНК последователности, известни като PAMs ("протоспасери съседни мотиви") служат като маркери и седят в съседство с целевата ДНК последователност. Ако комплексът Cas9 не вижда PAM до целевата си последователност на ДНК, той няма да се прекъсне. Това е една от възможните причини Cas9 никога да не атакува CRISPR региона в бактериите, според преглед от 2014 г., публикуван в Nature Biotechnology.

CRISPR-Cas9 като инструмент за редактиране на геноми

Геномите на различни организми кодират поредица от съобщения и инструкции в техните ДНК последователности. Редактирането на генома включва промяна на тези последователности и по този начин промяна на съобщенията. Това може да стане чрез вмъкване на разрез или прекъсване в ДНК и задействане на естествените механизми за поправяне на ДНК на клетката при въвеждане на промените, които човек иска. CRISPR-Cas9 предоставя средство за това.

През 2012 г. в списанията Science и PNAS бяха публикувани две основни научно-изследователски трудове, които помогнаха за трансформирането на бактериалния CRISPR-Cas9 в прост, програмируем инструмент за редактиране на геноми.

Проучванията, проведени от отделни групи, заключават, че Cas9 може да бъде насочен към изрязване на всеки участък от ДНК. Това може да стане чрез просто промяна на нуклеотидната последователност на crRNA, която се свързва с комплементарна ДНК цел. В статията за науката от 2012 г. Мартин Jinek и неговите колеги допълнително опростяват системата, като обединяват crRNA и tracrRNA, за да създадат единствен „водач РНК“. По този начин, редактирането на генома изисква само два компонента: водеща РНК и протеин Cas9.

"В оперативен план вие проектирате участък от 20 [нуклеотидни] базови двойки, които съответстват на ген, който искате да редактирате", казва Джордж Чърч, професор по генетика от Харвардското медицинско училище. Конструирана е РНК молекула, допълваща тези 20 базови двойки. Чърч подчерта, че е важно да се гарантира, че нуклеотидната последователност се намира само в целевия ген и никъде другаде в генома. "Тогава РНК плюс протеинът [Cas9] ще изрежат - като чифт ножици - ДНК на това място и в идеалния случай никъде другаде", обясни той.

След като ДНК се разрязва, естествените механизми за възстановяване на клетката започват и работят за въвеждане на мутации или други промени в генома. Има два начина това да се случи. Според проекта за аутрич на Хънтингтън в Станфорд (Университета), един метод за поправка включва залепване на двата разреза заедно. Този метод, известен като "нехомологично свързване на край", има тенденция да въвежда грешки. Нуклеотидите се въвеждат или изтриват случайно, което води до мутации, които могат да нарушат гена. Във втория метод почивката се фиксира чрез запълване на празнината с последователност от нуклеотиди. За да направи това, клетката използва кратка верига ДНК като шаблон. Учените могат да предоставят ДНК шаблон по свой избор, като по този начин впишат всеки ген, който искат, или коригират мутация.

Полезност и ограничения

CRISPR-Cas9 стана популярен през последните години. Църква отбелязва, че технологията е лесна за използване и е около четири пъти по-ефективна от предишния най-добър инструмент за редактиране на геноми (наречен TALENS).

През 2013 г. бяха публикувани първите доклади за използването на CRISPR-Cas9 за редактиране на човешки клетки в експериментални условия от изследователи от лабораториите на Чърч и Фън Джанг от Широкия институт на Масачузетския технологичен институт и Харвард. Проучвания, използващи in vitro (лабораторни) и животински модели на човешки заболявания, показаха, че технологията може да бъде ефективна при коригиране на генетични дефекти. Примери за такива заболявания включват кистозна фиброза, катаракта и анемия на Фанкони, според прегледна статия от 2016 г., публикувана в списанието Nature Biotechnology. Тези изследвания проправят пътя за терапевтични приложения при хора.

„Смятам, че общественото възприемане на CRISPR е много фокусирано върху идеята клиничното редактиране на гени да се лекува от болести“, заяви Невил Санджана от Нюйоркския геномен център и доцент по биология, невронаука и физиология в Нюйоркския университет. "Това без съмнение е вълнуваща възможност, но това е само едно малко парче."

CRISPR технологията се прилага и в хранително-вкусовата и селскостопанската промишленост за инженеринг на пробиотични култури и за ваксиниране на индустриални култури (например за кисело мляко) срещу вируси. Използва се и в културите за подобряване на добива, устойчивостта на суша и хранителните свойства.

Друго потенциално приложение е да се създадат генетични дискове. Това са генетични системи, които увеличават шансовете за преминаване на определена черта от родител към потомство. В крайна сметка с течение на поколенията чертата се разпространява през цели популации, според института Wyss. Геновите задвижвания могат да помогнат за контролиране на разпространението на болести като малария, като засилят стерилността сред болестта - женски Anopheles gambiae комари - според статията за Nature Biotechnology от 2016 г. В допълнение, генните задвижвания биха могли да бъдат използвани и за ликвидиране на инвазивни видове и обратна устойчивост на пестициди и хербициди, според статия от 2014 г. на Кенет Ой и колеги, публикувана в списанието Science.

CRISPR-Cas9 обаче не е без недостатъците си.

„Смятам, че най-голямото ограничение на CRISPR е, че не е сто процента ефективно“, каза Чърч пред WordsSideKick.com. Освен това, ефективността на редактиране на генома може да варира. Според статията на Science от 2014 г. на Doudna и Charpentier, в проучване, проведено в ориз, генетичното редактиране се е случило в близо 50 процента от клетките, които са получавали Cas9-RNA комплекс. Докато други анализи показват, че в зависимост от целта ефективността на редактиране може да достигне до 80 процента или повече.

Съществува и феноменът на „ефекта извън целта“, при който ДНК се изрязва на места, различни от предвидената цел. Това може да доведе до въвеждане на непредвидени мутации. Освен това Чърч отбелязва, че дори когато системата прекъсне целта, има шанс да не се получи точна редакция. Той нарече това „вандализъм на генома“.

Задаване на ограничения

Множеството потенциални приложения на технологията CRISPR повдигат въпроси за етичните достойнства и последиците от подправянето на геномите.

В статията за науката от 2014 г. Oye и колеги посочват потенциалното екологично въздействие от използването на генни дискове. Въведена черта може да се разпространи извън целевата популация върху други организми чрез кръстосване. Геновите движения също могат да намалят генетичното разнообразие на целевата популация.

Правенето на генетични модификации на човешки ембриони и репродуктивни клетки като сперматозоиди и яйца е известно като редактиране на зародишна линия. Тъй като промените в тези клетки могат да бъдат предадени на следващите поколения, използването на CRISPR технологията за извършване на редактиране на зародишните линии предизвика редица етични проблеми.

Променливата ефикасност, ефектите извън целта и неточните редакции представляват риск за безопасността. В допълнение, има още много неща, които все още не са известни на научната общност. В статия от 2015 г., публикувана в сп. Science, Дейвид Балтимор и група учени, етици и юридически експерти отбелязват, че редактирането на зародишните линии повдига възможността за нежелани последици за бъдещите поколения, „защото има ограничения за познанията ни за човешката генетика, взаимодействието между ген и среда, т.е. и пътищата на болестта (включително взаимодействието между една болест и други състояния или заболявания при един и същ пациент). "

Други етични проблеми са по-нюансирани. Трябва ли да правим промени, които биха могли да засегнат фундаментално бъдещите поколения, без да имаме съгласието им? Какво ще стане, ако използването на зародиш за редактиране на веер от терапевтичен инструмент до подобряване на различни характеристики на човека?

За да се справят с тези проблеми, Националните академии на науките, инженерството и медицината съставят изчерпателен доклад с насоки и препоръки за редактиране на геноми.

Въпреки че Националните академии настояват за предпазливост при извършване на редактиране на зародиш, те подчертават, че „предпазливостта не означава забрана“. Те препоръчват редактирането на зародишните линии да се извършва само върху гени, които водят до сериозни заболявания и само когато няма други разумни алтернативи за лечение. Наред с други критерии те подчертават необходимостта да има данни за рисковете и ползите за здравето и необходимостта от непрекъснат надзор по време на клиничните изпитвания. Те също така препоръчват проследяване на семейства за няколко поколения.

Скорошни проучвания

Има много последни изследователски проекти, базирани около CRISPR. „Темпът на основните научни открития е избухнал, благодарение на CRISPR“, казва биохимикът и експертът по CRISPR Сам Стернберг, лидерът на групата за технологично развитие в Беркли, базираната в Калифорния компания Caribou Biosciences Inc., която разработва базирани на CRISPR решения за медицина, земеделие и биологични изследвания.

Ето някои от най-новите открития:

  • През април 2017 г. екип от изследователи пусна проучване в списание Science, че са програмирали CRISPR молекула за намиране на щамове от вируси, като Zika, в кръвен серум, урина и слюнка.
  • На 2 август 2017 г. учените разкриха в списание Nature, че са отстранили дефект на сърдечно заболяване в ембрион, използвайки успешно CRISPR.
  • На 2 януари 2018 г. изследователите обявиха, че може да успеят да спрат гъбичките и други проблеми, които заплашват производството на шоколад, използвайки CRISPR, за да направят растенията по-устойчиви на болести.
  • На 16 април 2018 г. изследователите надстроиха CRISPR, за да редактират хиляди гени наведнъж, сочат проучвания, публикувани от списанието BioNews.

Допълнително отчитане от Алина Брадфорд, сътрудник на науката на живо.

Допълнителни ресурси

  • Широки институт: Времева линия на основна работа по CRISPR
  • Новини за генетичното инженерство и биотехнологии: CRISPR-Cas9 е подобрен 10000 пъти чрез синтетични нуклеотиди
  • Широки институт: Въпроси и отговори за CRISPR


Видео Добавка: Genetic Engineering Will Change Everything Forever – CRISPR.




Изследване


Трябва Ли Хората, Които Не Могат Да Се Откажат От Пушенето, Да Преминат Към Електронни Цигари?
Трябва Ли Хората, Които Не Могат Да Се Откажат От Пушенето, Да Преминат Към Електронни Цигари?

Желязната Ирония: Може Да Ви Направи Силни Или Да Ви Убие
Желязната Ирония: Може Да Ви Направи Силни Или Да Ви Убие

Наука Новини


Колонии От Лабораторни Мишки, Възстановени След Урагана Sandy
Колонии От Лабораторни Мишки, Възстановени След Урагана Sandy

Праисторическо Предучилищно Образование? Палеолитни Деца, Рисувани С Пръсти В Пещерите
Праисторическо Предучилищно Образование? Палеолитни Деца, Рисувани С Пръсти В Пещерите

Прогноза: Повече Убийствени Торнадо Стачат През Нощта
Прогноза: Повече Убийствени Торнадо Стачат През Нощта

Можете Ли Наистина Да Получите Обратна Вазектомия?
Можете Ли Наистина Да Получите Обратна Вазектомия?

Фотосинтез Намерен Там, Където Слънцето Не Свети
Фотосинтез Намерен Там, Където Слънцето Не Свети


BG.WordsSideKick.com
Всички Права Запазени!
Възпроизвеждането На Използваните Материали Оставя Само Prostanovkoy Активна Връзка Към Сайта BG.WordsSideKick.com

© 2005–2019 BG.WordsSideKick.com