CRISPR-Cas
Сап, учёные!
Доводилось ли вам слышать про столь модную нынче CRISPR-Cas? Если да – смело пролистывайте пост, если же нет – берите попкорн, сейчас будет очередной мини-образовач. Погнали!
Начнём издалека. Человечеству известна куча болезнетворных бактерий, а о том, что надо мыть руки с мылом и мазать царапины зелёнкой, нынче знает каждый. Но не каждый знает о том, что всегда найдется рыба покрупнее (вернее, помельче), и что бактериям в плане различных болячек ничуть не проще, чем нам. Знакомьтесь: бактериофаги, или просто фаги, если для своих.
Подобно бактериям, проникающим в многоклеточный организм и творящим там треш, угар и содомию (зачастую с плачевными для означенного организма последствиями), вирусы-бактериофаги проникают в богатый внутренний мир бактерии, размножаясь за счёт её ресурсов, пока бактерия не закончится. У человека, помимо мыла и зелёнки, есть такая полезная штука, как иммунитет, который отлавливает большую часть таких непрошенных гостей, пистолетом и добрым словом донося до них правила проживания в этом общежитии. Но человек – это огромный многоклеточный организм, с кучей ресурсов и безумно сложным устройством, а что делать бедной маленькой примитивной бактерии, у которой даже ядра-то своего отродясь не водилось? Правильно, проявить смекалочку и завести свой иммунитет, с РНК и Cas-белками.
Конечно, у бактериального иммунитета труба вышла пониже и дым пожиже, но со своими задачами он справляется не сильно хуже своего взрослого коллеги. Опишу его в общих чертах, чтобы продемонстрировать, как эволюция ухитряется собрать эффективную рабочую иммунную систему буквально из говна и веток.
Чтобы не углубляться в дебри биохимии воспользуюсь аллегорией. Человеческий организм можно сравнить с государством, в котором для поддержания порядка функционирует целая прорва различных институтов: полиция, армия, суды и тюрьмы. В случае обнаружения врага вся эта система в норме действует чётко и слаженно, обнаруживая и нейтрализуя угрозу (случаи аутоиммуннки, наподобие военных переворотов или избиения школоты ОМОНом в рамках данной заметки не рассматриваются). Система получается эффективная, но очень сложная и дорогая в содержании. Для бактерий такая не подходит.
Если человеческий организм – государство, то на его фоне бактерия – крестьянский домик на одну семью. Там не организуешь суд, тюрьму и полицию, но защищаться от непрошенных гостей всё равно как-то нужно. И вот тут мы подходим к простой, как и всё гениальное, системе CRISPR-Cas.
Для начала разберемся с аббревиатурами. CRISPR – Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats, особые участки бактериальной РНК, хранящие информацию о ранее встречавшихся угрозах. Cas – это CRISPR-associated proteins, белки, связанные с CRISPR. С терминами определились, переходим к сути.
Итак, обитатели домика не могут себе позволить содержать огромный архив, библиотеку, сборник законов и кодексов, равно как иметь свою армию и полицию. Поэтому у них всё устроено куда проще. Дома есть амбарная книга, в которой записаны все дела и обязанности обитателей. И среди непрерывной череды записей в духе «подоить корову покормить курей бегит прес качат анжумання» бросается в глаза фрагмент «ВНИМАНИЕ ВРАГ рыжие волосы шрам под глазом ВРАГ здоровый лысый хромает на левую ногу ВРАГ карие глаза черная олимпийка ВРАГ». Это и есть та самая CRISPR. Запись об известных угрозах. «ВНИМАНИЕ» – это так называемая лидерная последовательность, начало списка врагов. «ВРАГ» – это как раз те короткие палиндромные повторы, служащие разделителями в списке. Ну а описания между повторами – приметы, по которым сразу определят врага. Итак, с самой CRISPR в общих чертах разобрались.
Теперь перейдем к Cas. Cas-белок – это такой мордоворот, невеликий умом, но зато не обиженный силушкой, слоняющийся всему по дому и проверяющий каждого встречного на соответствие списку. Если встреченный соответствует одному из описаний – у него резко случаются проблемы со здоровьем и покой дома он более не нарушает. Если не соответствует и ведёт себя мирно – его не трогают. Если в списках не значится, но начинает барагозить – лишается здоровья, а список вражин удлиняется на ещё один пункт. Дёшево и сердито.
Если оставить аллегории в стороне, то Cas-белки ищут и вырезают участки РНК (и не только РНК, есть Cas-белки, умеющие работать с ДНК), совпадающие с записанными в CRISPR между повторами (эти участки-копии чужого генома называют спейсерами). Таким образом, проникшая в бактерию вирусная РНК разрушается, и копирование вируса прерывается. CRISPR копируется вместе с остальным генетическим материалом при делении, и, таким образом, иммунная информация передается следующим поколениям. В случае обнаружения ранее неизвестной угрозы, вырезанный на память кусочек её РНК встраивается в CRISPR-цепочку в назидание потомкам.
Впрочем, иммунитет бактерий – это, канеш, интересно, но не объясняет само по себе того ажиотажа, который сопровождает исследования CRISPR-Cas уже многие годы. Тут всё дело в том, что учёные быстро смекнули, как использовать это открытие в народном хозяйстве. Ведь после относительно небольшой доработки напильником из CRISPR-Cas получается высокоточный инструмент для редактирования генома. Достаточно вписать в амбарную книгу нужные приметы – и Cas-белки разрежут необходимый участок с ювелирной точностью, причём не только в пробирке, но и в живом функционирующем организме. (Дисклеймер: в действительности, как известно, всё не так, как на самом деле, и простым этот процесс выглядит лишь в глазах дилетанта. На уровне практической реализации всплывает куча разного рода проблем, но даже с поправкой на это CRISPR-Cas на данный момент является наиболее удобным и перспективным инструментом для генных манипуляций из всех, известных науке). В теории это делает возможным даже лечение генетических заболеваний, не говоря уже о создании всяких там генномодифицированных помидоров c рогами и тентаклями по точным чертежам и в короткие сроки. В общем, перспективы захватывают дух, так что Учёные Коты в будущем ещё не раз вернутся к освещению этой темы. На этом данный образовач объявляю законченным, всем пока!
