Исследователям из Центра раковых исследований Фреда Хатчинсона (Сиэттл) удалось разработать методику, сильно упрощающую процедуру редактирования генов в клетках человека. В основе метода — наночастицы золота, благодаря которым компоненты «молекулярной машины» редактирования CRISPR доставляются прямо в ядро клетки. Результаты работы были опубликованы в Nature Materials.
Технология CRISPR позволяет направленно менять информацию, записанную в ДНК. Для этого нужно доставить к ДНК-мишени два основных компонента: молекулу-«гид», которая найдет среди десятков тысяч генов точное место «оперативного вмешательства», и фермент, разрезающий в этом месте молекулу ДНК, чтобы начать процесс «починки». Сложность представляет доставка компонентов комплекса внутрь клетки. Для этого нередко используются инактивированные вирусные частицы. Более прямолинейный подход — импульс электрического тока. Он стимулирует попадание в ядро посторонней ДНК, но при этом может повредить или даже убить клетку.
«Мне хотелось найти что-то попроще — какой-то способ пассивно доставить аппарат редактирования в стволовые клетки крови», — говорит руководитель исследования доктор Дженнифер Адер.
Наночастицы золота — золотые шарики диаметром примерно в одну миллиардную крупинки соли — уже четверть века используются в молекулярной биологии и генетической инженерии. С их помощью биологи вводили чужеродные гены в клетки растений: таким образом были созданы многие генетически модифицированные сорта.
Преимущество золотых наночастиц в том, что молекулы нуклеиновых кислот легко к ним прилипают, а сами частицы сравнительно легко попадают в ядро, преодолевая различные клеточные барьеры.
Доктор Адер и ее сотрудник Реза Шахбази уже много лет занимаются применением золотых частиц для доставки в клетку различных веществ. В данном случае исследователи получили наночастицы золота из лабораторного коллоидного раствора. Затем их отсортировали по размеру: идеальным оказался диаметр 19 нм. При таком размере поверхность частиц достаточна, чтобы на ней разместились все нужные молекулы, но при этом частица еще достаточно мала, чтобы беспрепятственно проникать в клеточное ядро. Сверху частицы покрывались полиэтиленимином: это создавало на поверхности небольшой положительный заряд, благодаря которому клетка «принимала лекарство» охотнее.
Для демонстрации возможностей метода биологи отредактировали гены культуры стволовых клеток, которые способны превращаться в различные клетки человеческой крови. В одной линии клеток был отредактирован ген CCR5: измененный вариант этого гена делает клетки иммунными к заражению ВИЧ. Именно этот ген подвергся редактированию в сенсационных опытах китайского генетика Хэ Цзянькуя, отредактировавшего полгода назад геномы девочек-близнецов.
В отличие от Хэ, редактировавшего зародышевые клетки человека (и тем самым создавшего людей, способных передавать новый ген своим потомкам), исследователи из Центра Фреда Хатчинсона работали с культурой клеток, которая в принципе не способна развиться в человеческий организм: изменения в любом случае затронули бы лишь клетки крови пациента.
В другой линии клеток был изменен ген гамма-гемоглобина: подобные процедуры дают ключ к лечению таких заболеваний крови, как серповидно-клеточная анемия и талассемия.
Исследователи обнаружили, что примерно через 6 часов после добавления золотых частиц клетки их усвоили, и в течение следующих суток-двух в них происходило редактирование генов. Отредактированные клетки были введены мышам, используемым как модель человеческих заболеваний. Эффект достиг максимума через 8 недель после введения. Клетки с измененными генами обнаружились у мышей и спустя пять месяцев. Они присутствовали в костном мозгу, селезенке и вилочковой железе. Среди обработанной культуры клеток редактированию подверглись 10−20%. Это высокий результат, однако биологи намерены довести эффективность метода до 50%.
В перспективе это даст в руки медикам метод лечения серьезных наследственных заболеваний.
Профессор «Сколтеха» Константин Северинов так прокомментировал эту научную работу: «Доставка генных редакторов электропорацией — фактически разрядом тока высокого напряжения — токсична: многие клетки умирают от такой процедуры. Вирусы могут использоваться для доставки различными способами, но взаимодействие вирусных частиц с клеткой также может быть токсично, а кроме того, не все клетки способны взаимодействовать с вирусами. В целом есть общая проблема доставки — не важно, чего именно — в клетки. Для этой цели могут быть использованы наночастицы. По утверждению авторов, этот метод не инвазивен, не токсичен и эффективен».
Профессор Северинов, однако, считает, что к результатам следует относиться с осторожностью: «В общем случае необходимо решить не просто проблему доставки — клетки имеют тенденцию захватывать внутрь всякую дрянь, если она правильного размера — а направленной доставки. Как ввести интересующее нас вещество в клетку определенного типа? Это очень большая нерешенная проблема, которая ограничивает не только применение методов геномного редактирования, но и различных способов лечения рака, и многого другого. Пока общих решений не просматривается».
