Редактирование генома человека Редактирование генома человека Выполнил студент IV курса фармацевтического факультета Иванников Илья Владимирович 2016 г.

Определение гена Ген – единица наследственной информации, занимающая определённое положение в геноме или хромосоме и контролирующая выполнение определённой функции в организме

Генная инженерия – Генная инженерия – это пересадка генов и частей ДНК одного вида в клетки другого организма. Гены животных и даже человека встраиваются в хромосомы растений, рыб и млекопитающих, в результате создаются такие формы жизни, которых не было раньше.

Хромосома – структурная клетка, хранящая и передающая наследственную информацию. Состоит из ДНК и белка. Комплекс белков, связанных с ДНК, образует хроматин.

Старт-кодан (АТГ) в эукариотах везде кодирует аминокислоту метионин. С него практически всегда начинаются протеины.

История генетики в датах 1935 г. – экспериментальное определение размеров гена 1953 г. – структурная модель ДНК 1961 г. – расшифровка генетического кода 1962 г. – первое клонирование лягушки 1969 г. – химическим путем синтезирован первый ген 1972 г. – рождение генной инженерии 1977 г. – расшифрован геном бактериофага Х 174, секвенирование первый ген человека 1980 г. – получена первая трансгендерная мышь 1988 г. – создан проект «Геном человека» 1995 г. – становление геномики как раздела генетики, секвениро- ван геном бактерии 1997 г. – клонирование овцы Долли 1999 г. – клонирование мыши и коровы 2000 г. – прочитан геном человека

CRISPR (от англ. clustered regularly interspaced short palindromic repeats короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами) Особые локусы бактерий и архей, состоящие из прямых повторяющихся последовательностей, которые разделены уникальными последовательностями (спейсерами). Спейсеры заимствуются из чужеродных генетических элементов, с которыми сталкивалась клетка (плазмид, бактериофагов). РНК, транскрибирующиеся с локусов CRISPR, совместно с ассоциированными белками cas обеспечивают адаптивный иммунитет за счёт комплементарного связывания РНК с нуклеиновыми кислотами чужеродных элементов и последующего разрушения их белками cas.

В 2002 году были открыты cas-гены локусов CRISPR, кодирующие белки cas. Локусы CRISPR могут выполнять функцию иммунитета только при нали- чии генов cas, которые обычно располагаются в непосредственной близости от CRISPR. Локусы CRISPR представ- лены короткими(обычно около нуклеинов длиной)прямыми поворотами, которые отделяются друг от друга неповторяющимися спейсе- рами, произошедшими из ДНК тех чужеродных генетических элементов, с которыми сталкивалась клетка или ее предшественники. На стадии интерференции crРНК связываются со своими мишенями за счет спаривания оснований, и таким образом направляют эндонуклеазы cas на разрезание и разрушение мишени.

Формой для нацеливания белков-cas на последовательности-мишени служит направляющая crРНК, которая содержит уникальную последовательность, комплементарную определенной мишени. Сначала ряд повторов и спейсеров CRISPR транскрибируется в единый длинный транскрипт, который далее разрезается по короткой crРНК.

Кристаллическая структура cas 9, связанного с ДНК Cas 9 CRISPR – ассоциированный белок, управляемая при помощи РНК-гидов эндонуклеаза, связанная с адаптивной иммунной системой CRISPR.

Так образуются комплексы crРНК/tracrРНК-Cas9 оружие иммунной системы прокариот (по: Nature, 2011, 471, 7340, 602–607). Фермент РНКаза III и белок Cas9 распознают tracrРНК, комплементарную последовательностям повторов в цель- ной молекуле РНК-предшественника (pre-cr РНК). Расщепление, по всей видимости, происходит в середине повтора. Образуются crРНК, каждая из 42-нуклеоти- дов: 22 «хвостовых» остаток повтора, остальные 20 уникальный спейсер- ный фрагмент, который помогает белку Cas9 искать инородную ДНК.

В 2012 году Мартин Джинек сумел объединить tracrРНК и crРНК в одну цельную молекулу РНК теперь ее называют РНК гидом, или sgРНК, от англ. single-guide RNA и изобрел вектор для клонирования этой РНК.

Принцип работы Cas9 в природе (с участием crРНК и tracrРНК) и в составе искусственной конструкции, где одна молекула sgРНК заменяет две. Вверху: двухцепочечная ДНК- мишень подвергается точному разрезанию: Cas9 распознает мишень с помощью crРНК, а та удерживается в молекуле Cas9 благодаря посредничеству tracrРНК. Места разрезов обозначены ножницами. RuvC и HNH домены (части) Cas9; оба они обладают нуклеарной активностью, каждый разрезает одну из двух нитей ДНК. Внизу тот же процесс с участием цельной молекулы sgРНК, созданной усилиями ученых; она взаимодействует и с Cas9, и с ДНК-мишенью

Принцип использования CRISPR-Cas для редактирования генома

Принцип конструирования плазмиды CRISPR-Cas9

До открытия функций и механизмов действия систем CRISPR-cas в качестве методов для локус-специфического редактирования генома наиболее интенсивно разрабатывались методы, основанные на использовании нуклеаз, содержащих цинковые пальцы (англ. Zinc-finger-nucleases, ZFNs), а также эндонуклеазы TALEN (англ. Transcription Activator - Like Effector Nuclease). Эти методы довольно трудоемки, не очень эффективны и дорогостоящи, т.к. для каждого нового локуса-мишени требуется разработка, экспрессия и проверка совершенно новой пары полипептидов, что значительно ограничивает применение этих методов.

Использование систем CRISPR-cas для направленного редактирования геномов является перспективным направлением в современной генной инженерии. В настоящее время ученые широко используют подходы, основанные на системах CRISPR-cas. Возможно, в будущем эти подходы будут применять в медицине для лечения наследственных болезней.