How CRISPR lets you edit DNA - Andrea M. Henle

Переводчик: Darya Kamishnikowa Редактор: Anna Pecot

From the smallest single-celled organism

От самого маленького одноклеточного организма

to the largest creatures on earth,

до крупнейших созданий на Земле —

every living thing is defined by its genes.

каждое живое существо определяется своими генами.

The DNA contained in our genes acts like an instruction manual for our cells.

ДНК в наших генах действует подобно инструкции для клеток.

Four building blocks called bases are strung together in precise sequences,

Четыре элемента, или основания, связанные между собой в определённом порядке,

which tell the cell how to behave

обуславливают поведение клетки

and form the basis for our every trait.

и генетические признаки человека.

But with recent advancements in gene editing tools,

Но благодаря последним достижениям генной инженерии

scientists can change an organism’s fundamental features in record time.

учёные научились изменять основные свойства организмов в рекордные сроки.

They can engineer drought-resistant crops

Они могут создать засухоустойчивые зерновые культуры

and create apples that don’t brown.

и яблоки, которые не темнеют на срезе.

They might even prevent the spread of infectious outbreaks

Они могли бы даже предотвратить вспышки инфекционных заболеваний

and develop cures for genetic diseases.

и создать лекарства от генетических заболеваний.

CRISPR is the fastest, easiest, and cheapest of the gene editing tools

CRISPR — самый быстрый, простой и дешёвый из инструментов модификации генов,

responsible for this new wave of science.

играющий большу́ю роль в развитии этой науки.

But where did this medical marvel come from?

Как появилось это медицинское чудо?

How does it work?

Как оно работает?

And what can it do?

И на что оно способно?

Surprisingly, CRISPR is actually a natural process

Удивительно, но CRISPR на самом деле является естественным процессом,

that’s long functioned as a bacterial immune system.

служащим бактериям в качестве иммунной системы.

Originally found defending single-celled bacteria and archaea

Этот процесс был впервые обнаружен в одноклеточных бактериях и археях

against invading viruses,

при отражении ими вирусов.

naturally occurring CRISPR uses two main components.

CRISPR, возникающий в естественных условиях, состоит из двух компонентов.

The first are short snippets of repetitive DNA sequences

Первый компонент — короткие фрагменты повторяющихся последовательностей ДНК,

called “clustered regularly interspaced short palindromic repeats,”

которые называются

короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами,

or simply, CRISPRs.

или просто CRISPR.

The second are Cas,

Второй компонент — Cas,

or “CRISPR-associated” proteins

или CRISPR-ассоциированные белки,

which chop up DNA like molecular scissors.

которые расщепляют ДНК, как молекулярные ножницы.

When a virus invades a bacterium,

Когда вирус проникает в бактерию,

Cas proteins cut out a segment of the viral DNA

белки Cas вырезают часть вирусной ДНК

to stitch into the bacterium’s CRISPR region,

и вшивают его в область CRISPR,

capturing a chemical snapshot of the infection.

делая химический снимок инфекции.

Those viral codes are then copied into short pieces of RNA.

Эти вирусные коды затем копируются в короткие фрагменты РНК.

This molecule plays many roles in our cells,

В наших клетках эта молекула выполняет множество функций,

but in the case of CRISPR,

но в случае CRISPR

RNA binds to a special protein called Cas9.

РНК соединяется со специальным белком Cas9.

The resulting complexes act like scouts,

Образуемые комплексы действуют подобно разведчикам,

latching onto free-floating genetic material

цепляясь за свободно плавающий генетический материал

and searching for a match to the virus.

в поиске ДНК, идентичных ДНК вируса.

If the virus invades again, the scout complex recognizes it immediately,

Если вирус снова атакует, образуемые комплексы-разведчики сразу его распознáют

and Cas9 swiftly destroys the viral DNA.

и Cas9 незамедлительно уничтожит вирусную ДНК.

Lots of bacteria have this type of defense mechanism.

Подобный тип защитного механизма присутствует у многих бактерий.

But in 2012, scientists figured out how to hijack CRISPR

И вот в 2012 году учёным удалось раскрыть секрет CRISPR

to target not just viral DNA,

и начать использовать его не только против вирусной ДНК,

but any DNA in almost any organism.

но применительно к любой ДНК почти в любом организме.

With the right tools,

При соблюдении необходимых условий

this viral immune system becomes a precise gene-editing tool,

эта противовирусная иммунная система

становится точным инструментом редактирования генов,

which can alter DNA and change specific genes

способным изменять ДНК и определённые гены

almost as easily as fixing a typo.

почти так же легко, как мы исправляем опечатку в тексте.

Here’s how it works in the lab:

Вот как это происходит в лаборатории:

scientists design a “guide” RNA to match the gene they want to edit,

учёные создают ведущую РНК,

соответствующую гену, который они хотят изменить,

and attach it to Cas9.

и присоединяют его к Cas9.

Like the viral RNA in the CRISPR immune system,

Как и вирусная РНК в иммунной системе CRISPR,

the guide RNA directs Cas9 to the target gene,

ведущая РНК направляет Cas9 к заданному гену,

and the protein’s molecular scissors snip the DNA.

и молекулярные ножницы белка вырезают участок ДНК.

This is the key to CRISPR’s power:

Успех технологии CRISPR заключается в том,

just by injecting Cas9 bound to a short piece of custom guide RNA

что введя эндонуклиазу Cas9, связанную с небольшим фрагментом ведущей РНК,

scientists can edit practically any gene in the genome.

учёные могут отредактировать практически любой ген в геноме.

Once the DNA is cut,

Как только ДНК вырезается,

the cell will try to repair it.

клетка пытается восстановить её.

Typically, proteins called nucleases

Как правило, специальные белки нуклеазы

trim the broken ends and join them back together.

обрабатывают разорванные концы и соединяют их между собой.

But this type of repair process,

Но в процессе репарации,

called nonhomologous end joining,

который называется негомологичным соединением концов,

is prone to mistakes

случаются ошибки,

and can lead to extra or missing bases.

в результате чего наблюдаются лишние или недостающие основания.

The resulting gene is often unusable and turned off.

Образуемый ген часто оказывается более непригодным и отключается.

However, if scientists add a separate sequence of template DNA

Но если учёные добавят отдельную последовательность матричной ДНК

to their CRISPR cocktail,

в смесь CRISPR,

cellular proteins can perform a different DNA repair process,

клеточные белки смогут выполнить иной процесс репарации ДНК,

called homology directed repair.

а именно гомологичную репарацию.

This template DNA is used as a blueprint to guide the rebuilding process,

Эта матричная ДНК используется для руководства

repairing a defective gene

процессом репарации дефектного гена

or even inserting a completely new one.

или даже вставки нового гена.

The ability to fix DNA errors

Способность исправлять ошибки ДНК означает,

means that CRISPR could potentially create new treatments for diseases

что с помощью технологии CRISPR

мы можем разработать новые методы лечения заболеваний,

linked to specific genetic errors, like cystic fibrosis or sickle cell anemia.

являющихся результатом генетических ошибок,

например кистозного фиброза или серповидноклеточной анемии.

And since it’s not limited to humans,

И поскольку область её применения не ограничивается человеком,

the applications are almost endless.

то и возможности почти беспредельны.

CRISPR could create plants that yield larger fruit,

С помощью CRISPR учёные могут создать

высокоурожайные растения,

mosquitoes that can’t transmit malaria,

комаров, которые не будут переносить малярийных паразитов,

or even reprogram drug-resistant cancer cells.

или даже перепрограммируют лекарственно-устойчивые раковые клетки.

It’s also a powerful tool for studying the genome,

CRISPR также является мощным инструментом изучения генома,

allowing scientists to watch what happens when genes are turned off

позволяющим учёным наблюдать за тем, что происходит в организме,

or changed within an organism.

когда гены отключаются или изменяются.

CRISPR isn’t perfect yet.

Метод CRISPR пока далёк от совершенства.

It doesn’t always make just the intended changes,

При его использовании могут случаться и непреднамеренные изменения,

and since it’s difficult to predict the long-term implications of a CRISPR edit,

и, поскольку бывает трудно предсказать долгосрочные последствия метода CRISPR,

this technology raises big ethical questions.

использование этой технологии требует решения важных этических вопросов.

It’s up to us to decide the best course forward

Именно нам предстоит определить дальнейшую судьбу метода CRISPR,

as CRISPR leaves single-celled organisms behind

вышедшего за пределы иммунной системы одноклеточных организмов

and heads into labs, farms, hospitals,

и проникшего к нам в лаборатории, фермы, больницы

and organisms around the world.

и организмы по всему миру.