Редактирование генома
-
История редактирования генома
- Впервые применено в 1990-х годах
- Низкая эффективность редактирования
- В 2011 году выбраны методы редактирования генома
- В 2015 году CRISPR-Cas выбран прорывом
-
Методы редактирования генома
- Сконструированные нуклеазы: ZFNs, TALENs, CRISPR/Cas9
- Создание сайт-специфичных двухцепочечных разрывов (DSBs)
- Восстановление DSBs: NHEJ, HDR
-
Регулирование и риски
- В Китае разрабатываются правила для редактирования генома человека
- Обсуждаются риски и «белые пятна» CRISPR
- Институт Рослина разработал свиней, устойчивых к вирусу
-
Применение и достижения
- Успешное редактирование гена CRISPR на пациентах с раком
- Томат Sicilian Rouge с высоким содержанием ГАМК разрешен к продаже в Японии
- Англия планирует снять ограничения на генетически отредактированные растения и животных
-
Альтернативы CRISPR
- Белки с активностью, управляемой облигатными мобильными элементами (OMEGA)
- Использование транспозонов и WRNA для редактирования генома
-
Преимущества мегануклеаз
- Меньшая токсичность по сравнению с ZFNs
- Более строгое распознавание последовательностей ДНК
- Дороговизна и трудоемкость создания ферментов для всех последовательностей
-
Нуклеазы цинкового пальца (ZFNs)
- Основаны на неспецифическом каталитическом домене и специфических пептидах
- Используют цинковые пальцы и TALEs для распознавания последовательностей ДНК
- Высокая специфичность благодаря комбинации пептидов
-
Методы создания ZFNs
- Модульная сборка: комбинирование блоков из цинкового сплава
- Селекция с использованием клеток бактерий, дрожжей или млекопитающих
- Гетеродимерные нуклеазы для повышения специфичности
-
Различия между ZFNs и TALEN
- ZFNs используют Cys2-His2 zinc fingers, TALEN — TALEs
- ZFNs независимы, TALEN имеют повторяющиеся домены
- ZFNs более обоснованы в модульной сборке и бактериальном скрининге
-
Применение ZFNs
- Исследования в генной инженерии стволовых клеток и модификации иммунных клеток
- Клинические испытания для лечения опухолей и СПИДа
-
TALEN
- ДНК-связывающие белки с 33 или 34 аминокислотными повторами
- Используются для редактирования генов, вставки, делеции, репарации и замены
- TAL-эффекторы распознают один нуклеотид ДНК
-
Преимущества TALEN
- Высокая специфичность и активность
- Простота создания ДНК-связывающих доменов
- Легкость прогнозирования кода распознавания
-
CRISPR
- Генетические элементы бактерий для защиты от вирусов
- Используются для редактирования генома эукариот
-
Редактирование нуклеотидных оснований
- Ферменты модифицируют нуклеотидные основания
- Не требует разрыва нитей ДНК, подходит для точного редактирования
-
ARCUT
- Технология компании Komiyama
- Использует псевдокомплементарную пептидную нуклеиновую кислоту для идентификации места расщепления
-
Методы редактирования генома
- ZFN и TALEN обеспечивают высокую точность, но требуют высокой квалификации и длительных процессов валидации.
- CRISPR является самым быстрым и дешевым методом, но менее точным.
-
Мультиплексная автоматизированная геномная инженерия (MAGE)
- MAGE позволяет быстро и эффективно манипулировать геномом in vivo.
- MAGE генерирует комбинаторное генетическое разнообразие в популяции клеток.
-
Приложения редактирования генома
- Редактирование генома используется в различных областях, включая биоинженерию, биоэнергетику и фармацевтическую промышленность.
- Редактирование генов может быть применено к растениям, животным и рыбам.
-
Редактирование генов у животных
- Редактирование генов у животных может улучшить их рост, устойчивость к болезням и контролируемое размножение.
- Редактирование генов у рыб может способствовать созданию более устойчивой окружающей среды.
-
Редактирование генов у растений
- Редактирование генов у растений может улучшить их урожайность и устойчивость к вредителям.
- Примеры включают введение генов устойчивости к гербицидам и инактивацию эндогенных вирусов.
-
Геномная инженерия на основе TALEN
- Оптимизирована для использования в растениях
- Улучшение качества продуктов из соевого масла и увеличение срока хранения картофеля
-
Оптимизация редактирования геномов растений
- Необходимость надежного проектирования и тестирования нуклеаз
- Отсутствие токсичности нуклеаз и надлежащий выбор растительной ткани
- Пути индукции ферментативной активности и отсутствие мутагенеза вне цели
-
Доставка CRISPR/Cas9 в растения
- Трансформация на основе агробактерий
- Использование вирусов для улучшения доставки трансгенов
-
Генная терапия
- Замена дефектного гена нормальным аллелем
- Экспрессия частично замененных генов соответствует нормальной клеточной биологии
- Первое клиническое применение TALEN при лечении острого лимфобластного лейкоза
-
Исследования и клинические испытания
- Исследования на клетках и животных с использованием CRISPR-Cas9
- Терапия редактирования генов человека с синдромом Хантера
- Клинические испытания Sangamo Therapeutics с использованием ZFN
-
Искоренение болезней
- Модификация генов у A. гамбия для искоренения малярии
- Возможность модуляции популяции бактерий и устранения патогенных микроорганизмов
- Исследования по применению противовирусных препаратов для лечения ВИЧ, герпеса и гепатита В
-
Перспективы и ограничения
- Повышение безопасности и специфичности действия нуклеаз
- Необходимость лучшего понимания механизмов рекомбинации и репарации ДНК
- Простота использования и экономическая эффективность CRISPR
-
Редактирование генома и ксенотрансплантация
- Возможность создания моделей трансгенных заболеваний у крупных животных
- Применение CRISPR для выявления и уничтожения эндогенных ретровирусов
-
Совершенствование человека
- Потенциальное улучшение человека с помощью редактирования генома
- Рекомендации по клиническим испытаниям редактирования генома человека
-
Риски
- Потенциальное оружие массового уничтожения
- Риски создания вредных биологических агентов и продуктов
- Возможность создания «комаров-убийц»
-
Риски и преимущества редактирования генома
- Простота и низкая стоимость инструментов для редактирования генома могут привести к ошибкам.
- Риски и преимущества модификации генома человека требуют срочного этического анализа.
- Модификации могут иметь непредвиденные последствия для будущих поколений.
-
Критика и экологические риски
- В 2001 году австралийские исследователи подверглись критике за исследование борьбы с мышами с помощью измененного вируса.
- Существуют опасения по поводу экологических рисков внедрения генных генов в дикие популяции.
-
Нобелевские премии
- В 2007 году Нобелевская премия по физиологии и медицине присуждена за открытие принципов введения специфических модификаций генов у мышей.
- В 2020 году Нобелевская премия по химии присуждена за разработку метода редактирования генома.
-
Дополнительные технологии и рекомендации
- CRISPR/Cpf1, редактирование РНК, редактирование эпигенома, простое редактирование, транспозоны как генетический инструмент, технология выбора зародыша, NgAgo, управляемая оцДНК эндонуклеаза Argonaute.
- ВОЗ запускает глобальный реестр по редактированию генома человека.