Метод редактирования генома под названием CRISPR (или CRISPR/Cas), появившись всего несколько лет назад, быстро набрал популярность среди специалистов по генной инженерии. Изначально его открыли как бактериальную систему противовирусной защиты. 

Бактерии держат у себя в геноме куски вирусных генов (эти последовательности в бактериальной хромосоме называются CRISPR), и, когда в клетке появляется чужая ДНК, специальные ферменты (белки семейства Cas) сравнивают ее с вирусными образцами – и если сходство есть, чужеродную ДНК разрезают и отправляют в утиль. 

Биотехнологи в какой-то момент сообразили, как можно использовать эту систему для своих нужд. Белки бактерий, с помощью которых те уничтожают ДНК вирусов, приспособили для работы в клетках животных. По сути, принцип работы остался тем же: белок ищет в клеточных хромосомах участок, который нужно вырезать, а в качестве «путеводителя» ферменту дают молекулу РНК с той же последовательностью нуклеотидов, что и в нужном участке. Сверяя РНК, которую он носит с собой, с клеточной ДНК, фермент в конце концов находит нужное место в геноме, и вырезает его. Если здесь была мутация, она исчезнет – клеточные системы ремонта ДНК сами заделают образовавшуюся дыру так, что никакой мутации тут уже не будет. 

Источник. 

Пузыри Ферми – колыбель космических лучей

Космическими лучами называют высокоэнергичные элементарные частицы и ядра легких элементов, прилетающие к нам из глубокого космоса. Они несут информацию о наиболее энергичных событиях и активных объектах во Вселенной: ядрах галактик, взрывах сверхновых, релятивистских струях вещества – джетах и многом другом. Возможно, когда-нибудь они прольют свет и на тайны темной материи и отсутствия антиматерии во Вселенной. 

Одна из главных проблем теории происхождения космических лучей – механизм их ускорения. В 60-х годах прошлого века физики-теоретики Виталий Лазаревич Гинзбург и Сергей Иванович Сыроватский (ФИАН) предположили, что космические лучи могут возникать при взрывах сверхновых звёзд. Конкретный механизм ускорения заряженных частиц на возникающих при этом ударных волнах предложил Гермоген Филиппович Крымский с коллегами  (Институт космофизических исследований и аэрономии ЯНЦ СО РАН) в 1977 году. Однако времени существования таких ударных волн недостаточно для придания космическим лучам энергии выше 1014–1015 эВ (электронвольт). Для сравнения: в этих пределах находится и энергия ускоренных протонов в Большом адронном коллайдере. Вопрос о природе частиц с энергиями больше 1015 эВ оставался открытым.

Исследователи из МФТИ и Физического института имени П.Н. Лебедева РАН совместно с китайскими коллегами разработали модель, позволяющую объяснить природу космических лучей в нашей Галактике в диапазоне энергий от 3?1015 до 1018 эВ, что на два-три порядка выше энергии частиц, рождённых при взрывах сверхновых. 

Модель связывает высокоэнергичные космические лучи с открытыми в ноябре 2010 года  «пузырями Ферми» – двумя огромными областями в центральной области нашей Галактики, испускающими излучение в гамма- и рентгеновском диапазонах. Эти симметричные относительно плоскости Галактики области простираются на расстояние в 50 тысяч световых лет, что сопоставимо с размером самого Млечного Пути. Позднее команда телескопа «Планк» обнаружила излучение этих структур и в микроволновом диапазоне. Подобные структуры наблюдаются в других галактических системах с активными ядрами.

Источник. 

Человеческим эмбрионам снова отредактировали геном

Заодно масса людей узнала про метод CRISPR/Cas – именно с его помощью правили гены у эмбриона. Этот метод мы неоднократно описывали, так что сейчас напомним лишь, что изначально систему CRISPR/Cas обнаружили в бактериях, у которых она служит для защиты от вирусов; впоследствии же оказалось, что молекулярную машину CRISPR/Cas можно использовать для точного исправления последовательности ДНК в клетках животных и растений (впрочем, насчет точности метода в последнее время появляются некоторые сомнения). Перспективы у CRISPR/Cas оказались настолько заманчивыми, что исследователи все-таки решили, что можно использовать метод и с человеческими зародышами. И вот сейчас, спустя два года после пресловутой статьи в Protein & Cell выходит статья в Nature, в которой описывается, как человеческий зародыш с помощью CRISPR/Cas избавили от опасной мутации, приводящей к сложному сердечному расстройству.

Шухрат Миталипов и его коллеги из Орегонского университета науки и здоровья взяли более ста яйцеклеток, чтобы оплодотворить их сперматозоидами, у которых была мутация в гене MYBPC3. Дефекты в этом гене ведут к развитию гипертрофической кардиомиопатии: стенка сердечной мышцы становится ненормально толстой, волокна в ней располагаются неправильно, в итоге нарушается ритм сокращений, возникает сердечная недостаточность и т. д. Мужчине, чьи сперматозоиды использовали в эксперименте, из-за генетической кардиомиопатии в свое время пришлось поставить имплантат-дефибриллятор. Цель же исследователей была в том, чтобы получить эмбрионы без мутации в MYBPC3.

Молекулярный аппарат для редактирования генов вводили в оплодотворенную яйцеклетку, причем в некоторые яйцеклетки CRISPR/Cas вводили сразу же после оплодотворения, а в другие – спустя несколько часов. Редактирующая машина должна была исправить мутацию в отцовских генах. Яйцеклетка после прибытия сперматозоида какое-то время ждет, осваиваясь с полученным «грузом», а потом начинает подготовку к делению. Перед делением вся ДНК удваивается, соответственно, в эмбрионе появляется вторая копия мутантного гена. Если редактирующая машина войдет в зародыш чуть погодя, ей надо будет исправить дополнительную копию нужного гена, но она не всегда это делает – в результате получается то, что называется мозаицизмом: у эмбриона есть две разные копии одного и того же гена, и впоследствии какие-то клетки получают нормальную версию, а какие-то – мутантную. 

Предварительные опыты с мышиными эмбрионами показали, что если ввести CRISPR/Cas-редактор почти одновременно с оплодотворением, то мозаицизма можно избежать. Новые эксперименты это только подтвердили: из 58 яйцеклеток, которым вводили CRISPR/Cas сразу после оплодотворения, у 42 зародышей редактирование прошло успешно, а мозаичным по редактируемому гену оказался только один. С другой стороны, среди 54 эмбрионов, которым вводили редактирующую машину через 18 часов после оплодотворения, мозаичными оказались целых тринадцать. (Сами редактирующие молекулы, сделав свое дело, быстро распадались.)

Важно подчеркнуть, что здесь зародыши были абсолютно нормальными, в них не было никаких хромосомных аномалий, как в зародышах из китайской статьи, и, в принципе, если бы их пересадили женщине, из них могли бы получиться здоровые дети без мутации и без кардиомиопатии. С другой стороны, легко заметить, что эффективность метода CRISPR/Cas не стопроцентная – лишь 75% эмбрионов удалось избавить от мутации. Если же говорить о возможном применении CRISPR/Cas в клинике, то крайне желательно, чтобы он работал во всех зародышах, а не в 75%.

Наконец, есть известная проблема точности CRISPR-редактирования, о которой мы писали буквально на днях. Авторы работы уверяют, что никакого «левого редактирования» в подопытных эмбрионах не случилось. В то же время сама мутация в гене MYBPC3 была достаточно редкой: действительно, изменения в MYBPC3 обычно оказываются наиболее вероятной причиной гипертрофической кардиомиопатии, но ведь изменения в ДНК могут быть разными. И в некоторых случаях, нацеливая машину CRISPR/Cas на какой-нибудь дефект в нужном гене, мы можем вдруг обнаружить, что похожие цели есть и в других участках нашей необъятной ДНК, только в других участках они никакие не дефекты.

Но в целом исследователи добились своей цели – они показали, что редактирующий метод CRISPR/Cas работает на здоровых эмбрионах, которые могут нормально развиться. И даже если до клиники дело не дойдет, из таких экспериментов можно получить массу полезных данных. Например, сейчас вдруг удалось увидеть, что зародыши исправляют свою ДНК после вмешательства CRISPR/Cas не так, как другие клетки. Ферменты системы CRISPR/Cas вырезают фрагмент ДНК с мутацией, так что клетке приходится ставить тут заплатку. В качестве шаблона для заплатки вместе молекулярным редактором в клетку запускают образец – кусочек ДНК с нужной последовательностью, на основе которой клетка латает собственную хромосому; и именно так делают, например, стволовые клетки. Зародыши же поступают иначе – они не обращали никакого внимания на ту ДНК, которую им ввели извне, используя материнские хромосомы в качестве образца для заплатки на хромосомы отцовские.

Источник.