CRISPR как инструмент для спасения популярных агрокультур

В прошлом году лауреатами Нобелевской премии по химии стали Эммануэль Шарпентье и Дженифер Дудна – две женщины, которые внесли ключевой вклад в описание и применение на практике системы «бактериального иммунитета», в сокращенном виде более известной как CRISPR-Cas. Несмотря на то, что в клетках бактерий эта система помогает бороться с вирусами, после адаптации под клетки эукариот, этот набор

Homo Science

CRISPR как инструмент для спасения популярных агрокультур

В прошлом году лауреатами Нобелевской премии по химии стали Эммануэль Шарпентье и Дженифер Дудна – две женщины, которые внесли ключевой вклад в описание и применение на практике системы «бактериального иммунитета», в сокращенном виде более известной как CRISPR-Cas. Несмотря на то, что в клетках бактерий эта система помогает бороться с вирусами, после адаптации под клетки эукариот, этот набор молекул белков и коротких РНК стал наиболее популярным инструментом редактирования генома. Генная инженерия ведет свое начало с 80-х годов прошлого века, но только сейчас мы всерьез заговорили о редактировании генома эмбрионов, а создание животных и растений с нужными свойствами почти что встало на поток. О том, как «бесшовное» направленное изменение генома может помочь сельскому хозяйству и изменить понятие о генно-модифицированных растениях, рассказываем дальше.

Как работает CRISPR

Аббревиатура CRISPR расшифровается как clustered regularly interspaced short palindromic repeats (кластеры коротких палиндромных повторов, разделенных спейсерами) – именно в таком виде «архивы» системы записаны в бактериальных геномах, где они были впервые обнаружены. Однако название ничего не говорит нам о том, как это работает в клетках эукариот.

Как было сказано выше, система CRISPR-Cas состоит из набора молекул, которые по сути представляют собой «молекулярные ножницы», умеющие разрезать нуклеиновые кислоты в нужном месте. Cas представляет собой сами ножницы (белковый компонент), а CRISPR тут обозначает несколько молекул РНК, при помощи которых ножницы направляются в нужное место.

Ernesto del Aguila III, National Human Genome Research Institute, NIH


Природное разнообразие CRISPR-систем позволяет резать и молекулы ДНК, и молекулы РНК, но для агроинженеров наибольший интерес представляют системы, направленные на ДНК. Наиболее известный фермент в этом случае – белок Cas9.

С участием короткого РНК-гида, состав которого задает исследователь, Cas9 отправляется в нужное место генома и делает там двуцепочечный разрез. На этом его роль заканчивается, и в дело вступают ремонтные системы, которым очень не нравится смертельно опасный для клетки разрыв в ДНК, и они стремятся «залечить» его доступным способом – с участием матрицы с нужной нам последовательностью, или же как попало. В первом случае исследователь получает на выходе клетки с измененной нужным образом последовательностью ДНК, а во втором – измененной случайным образом.

Как с его помощью можно избавиться от вирусов?

Если исследователь задаст несколько последовательностей РНК-гидов, систему CRISPR-Cas9 можно одновременно отправить резать несколько участков ДНК. Благодаря этому можно вырезать из генома довольно большие куски – например, последовательности вирусов, в жизненном цикле которых есть этап интеграции в хромосому носителя.

Эта идея уже нашла воплощение на практике – к примеру, в 2017 году биотехнологическая компания объявила о клонировании свиней, у которых из генома таким способом были удалены все последовательности эндогенного вируса свиней PERV. А в 2019 году американским ученым удалось при помощи CRISPR в сочетании с антиретровирусной терапией вырезать ДНК ВИЧ из лимфоцитов в организме мыши.

Что отличает использование CRISPR от более канонических методов генной инженерии – после работы редактора и систем репарации в геноме либо совсем не остается следов вмешательства, либо остаются небольшие мутации, аналогичные которым могли бы быть внесены методами классической селекции.

Как редактирование генома растений может спасти сельскохозяйственные культуры?

Если свиньям вирус PERV не особо мешает жить, то вирусы растений зачастую уничтожают целые агрокультуры. Так случилось во второй половине XX века на Гавайях, где вирус кольцевой пятнистости папайи почти что уничтожил эту культуру на островах. Только генная модификация папайи, которая сделала ее устойчивой к этому вирусу, спасла плантации в регионе.

Похожая история могла бы произойти и с бананами. Вирус банановых прожилок (BSV) из семейства колимовирусов встраивается в геном банана, и при неблагоприятных условиях среды (например, засухе) активируется, что приводит к отмиранию тканей и гибели целого растения. В центральной Африке вирус периодически приводит к неурожаям овощных сортов бананов. Всего же банан является важной пищевой культурой и источником дохода для фермеров в 136 странах.

Pixabay


В 2019 году ученые из США и Кении объединили усилия для спасения бананов сорта Gonja Manjaya от вируса BSV при помощи CRISPR. Исследователи подобрали целых три РНК-гида и внесли их вместе с геном Cas9 при помощи агробактериальной трансформации. Это обычный метод модификации генома растений, основанный на заражении бактериями – природными паразитами растений. В итоге ученым удалось получить растения банана, свободные от ДНК вируса.

В 2021 году та же группа исследователей снова модифицировала растения банана для того, чтобы сделать его устойчивым к возбудителю увядания бананов – бактерий из рода Xanthomonas. Для этого они при помощи CRISPR выключили ген DMR6, который активируется во время инфекции и необходим для успешного роста патогена. Для выключения гена оказалось достаточным внести небольшую случайную мутацию в ДНК.

А это ГМО?

Разумеется, помимо бананов в последние годы в разработке находится множество сортов сельскохозяйственных растений, от яблок до риса. Некоторые из них уже достигли прилавков - к примеру, совсем недавно в Японии появились в продаже CRISPR-отредактированные помидоры, обогащенные гамма-аминомасляной кислотой, полезные людям с гипертонией.

Unsplash


Технически, такие продукты не являются генно-модифицированными организмами, так как не содержат никаких чужеродных генов и вообще следов вмешательства в ДНК. Поэтому ученые предлагают разделять понятия genetically modified (генно-модифицированные) и genome-edited (отредактированные). Однако юридически далеко не везде это разделение произошло. К примеру, в США можно купить CRISPR-шампиньоны, которые не темнеют на воздухе - Министерство сельского хозяйства США исключило такие продукты из своей юрисдикции. В Европе же они пока имеют равный статус с ГМО.

В большинстве стран, тем не менее, CRISPR-растения имеют неясный статус, так что возможно, что практическая необходимость, как в случае с бананами, заставит выращивать их на полях в ближайшем будущем.



Комментарии
Авторизуйтесь, чтобы оставить комментарий
Комментарии 0

Стань частью сообщества Homo Science!

Хочешь оставаться в центре событий?
Зарегистрируйся прямо сейчас