Игра в бога. Level up. Пять минут занимательной - Запись на стене пользователя Лев Гончаров в Вконтакте. Комментарии и лайки к записи.

Лев Гончаров

Игра в бога. Level up.
Пять минут занимательной биологии.

С наукой очень много сложностей. Ежедневно выходят тысячи статей, но не все из них основаны на действительно качественных исследованиях. А ещё у учёных не всегда хорошо с понятным и последовательным представлением своих результатов. В общем, и в своей области легко упустить что-то значимое, а я сейчас полезу в далёкую от меня биологию.

Да, где-то в конце будет раздел «Почему это важно?». Если лень читать весь текст, то просто посмотрите последнюю часть.

Речь пойдёт о новой работе в самой хайповой нынче у биологов теме — редактирование генома. Лучше бы это пересказывать какому-нибудь настоящему биологу «со справкой» вроде [id197242052|Аси Казанцевой] или [id187756|Александра Панчина], но попробую как-нибудь справиться.
Disclaimer: автор может что-то перевирать и путаться в понятиях, но постарается сделать так, чтобы это не слишком бросалось в глаза.

Если вы хоть чуть-чуть следите за развитием биологии, то что-то знаете про технологию редактирования генома CRISPR Cas9. CRISPR’ов на самом деле много, но версия Cas9 наиболее популярна. Если же эти аббревиатуры вам ни о чём не говорят, то Википедия поможет вам слезть с дерева и прикоснуться к свежим биологическим фокусам ru.wikipedia.org/wiki/CRISPR
Технология CRISPR для современной биологии штука примерно такая же значимая, как открытие бозона Хиггса для физики. С той лишь разницей, что технология CRISPR поставляет значимые результаты уже сейчас, а бозон Хиггса ещё лет сто будет приносить только гранты.

Если у вас есть острое желание, спустившись с дерева, сразу отложить в сторону дубину и переместиться в бронзовый век, то рекомендую ещё почитать про индуцированные стволовые клетки. К сегодняшней теме они никакого отношения не имеют , но там интересно.
ru.wikipedia.org/wiki/Индуцированные_стволовые_клетки

Собственно, к статье.
В октябре в Nature Medicine вышла статья «Лечение метаболического заболевания печени путём редактирования геномных оснований у живых взрослых мышей» (простите за корявый перевод). И тут стоит сразу обратить внимание на три важных момента.
Во-первых, речь идёт о редактировании генома вполне себе взрослых особей. Задача это куда менее тривиальная, чем подкорректировать организм на ранней эмбриональной стадии, когда там всего организма 2-4-8-16 клеток. Бери и правь.
Во-вторых, речь идёт о редактировании генома клеток печени. И тут стоит вспомнить (тактично оставлю этот глагол), что клетки у нас бывают разные. Некоторые делятся с завидной скоростью. Лишенные фантазии биологи их так и назвали «постоянно (часто) делящиеся клетки». Работать с ними — одно удовольствие. Нет необходимости редактировать упрямую двойную спираль. Зачем, если в процессе деления все важные манипуляции можно сделать с её податливой одноцепочечной версией? Увы, клеток печени всё это не касается. Они относятся к неделящимся клеткам. Точнее к тому их подвиду, который при определённых стимулах делиться может (например, если организм лишился приличного куска печени, и потерю надо восполнить). Но в нормальных условиях клетки печени достигают взрослого состояния и годами выполняют свои функции, оставляя мало шансов поймать их в момент деления и поправить одноцепочечную ДНК классическим CRISPR Cas9.
Отсюда вытекает, в-третьих. Для достижения результата, правки надо вносить в двуцепочечную ДНК. Классический CRISPR Cas9 опирается на разрезание и замену участка одноцепочечной ДНК. Как я понял, попытка провернуть что-то подобное с двуцепочечной приводит к созданию кучи нефункционального фарша внутри клетки. Насколько сложнее внести изменения в двуцепочечную ДНК? Аналогия для айтишников: у вас есть высоконагруженная система, развернутая на железе с прекрасным RAID1 (mirror), и доступ к каждому из дисков на низком уровне. Задача — внести правки и ничего не грохнуть. И да, вы не знаете, куда именно вносить правки, но вам любезно указали, что записано в памяти до и после редактируемого куска. Have fun!

Мышек в статье лечили от фенилкетонурии, точнее от её мышиной версии: похожая мутация с теми же проявлениями и наследованием по аутосомно-рецессивному типу. Фенилкетонурия нарушает выработку одного важного печёночного фермента, позволяющего переваривать белки, не страдая от токсического воздействия финилаланина.
В случае с отсутствием фермента есть ещё и обходной путь. Вместо исправления ДНК исходной клетки можно с помощью вируса доставить в клетку здоровенный кусок специально модифицированной ДНК. Она и будет отвечать за экспрессию необходимых белков (вирусы так и работают), которые в свою очередь восстановят производство нужных ферментов. У обходного пути, однако, есть свои минусы, о деталях которых я лишь смутно догадываюсь (поскольку ленив и ещё один первоисточник читать не стал).

Но авторы свежей статьи решили не искать обходной путь, а фундаментально поправить геном в двуцепочечной ДНК. К счастью, определённые наработки в этом вопросе существуют под общим названием «редактор оснований». Редакторы великолепны! Они «прилипают» к ДНК в нужном месте, которое кодируется соответствующей маской близлежащих оснований, и заменяют пару азотистых оснований A-T на C-G (или наоборот).

Проблема заключается в том, что редактор оснований — это огромная молекула, которую совсем не просто доставить в клетку. К счастью, доставлять саму молекулу и не надо: клетка сама по себе хороший химический завод, так что прислать надо только чертежи и авторитетного начальника, который будет кричать, чтобы всё делали, как написано.
С начальником всё предельно просто, эта схема биологами давно отработана: вирусы прекрасно умеют доставлять в клетки свою ДНК и перестраивать производство под свои задачи (в большей или меньшей степени). Поэтому у вируса отнимают всё колюще-режущее, делая из него персонажа в стиле My little pony, и нагружают чертежами для сборки чего-то интересного биологам. Естественно, есть и любимая подборка вирусов для доставки ДНК-чертежей к разным органам. В случае печени, любимцы учёных — адено-ассоциированные вирусы. Работать с ними легко и приятно, но если бы дальше всё было так просто, то возможно статью бы в Nature не взяли.
Вернёмся к редактору оснований, очень большой и невероятно полезной молекуле. Молекула эта настолько велика, что и инструкция по сборке получается очень большой. Нет, невероятно огромной её назвать нельзя, но запихнуть столько инструкций в один вирус-флешку не получается. Ок, оказывается, и у этой задачи есть решение. Делаем классический многотомный (хватило двух) архив и заливаем туда инструкции. Да, современные биологи так умеют! Нет, я тоже об этом раньше не знал.
Как устроена разбивка на тома в биологии? С нарезкой, видимо, всё относительно просто. Располовинить здоровую молекулу ДНК в лабораторных условиях и прикрепить что-нибудь на концы — задача почти тривиальная (даже если я понятия не имею, как они её решают). Вывести две линии вируса, нагрузив каждую соответствующей половинкой инструкции, - тоже вполне решаемо. Но вот на месте (в клетке печени) всё это надо снова собрать воедино. Увы, нельзя просто скормить клетке две половинки инструкции и ждать появления величественного редактора оснований. Хорошо... Значит, нужен самораспаковывающийся многотомный архив! В биологии так тоже можно: на местах разреза ДНК-инструкции прицепляем сегмент последовательности интеина (про него смотрите английскую wiki), при встрече в клетке печени сегменты интеина соединят две части ДНК, доставленной вирусами, и благополучно отвалятся, не оставив ни следа. Как же не хватает такой технологии в макромире! Всё, ДНК-схема собрана, клетка произведёт редактор оснований, он исправит ДНК самой клетки, которая восстановит нормальную экспрессию необходимых белков, чтобы клетка могла производить правильный фермент, а модельная лабораторная мышка из специальной генетической линии перестанет страдать от фенилкетонурии и приобретёт здоровый чёрный цвет… в доме который построил Джек.

Ещё раз! Следите за руками! Для внесения изменения в ДНК неделящейся клетки, в ней требуется собрать редактор оснований. Редактор, который должен содержать в себе описание последовательности оснований, окружающих редактируемое место. Своеобразный шаблон (см. сказку о Золушке), по которому он найдёт нужный участок ДНК и заменит его. Сконструировав (виртуально) этот редактор оснований, учёные создают молекулу ДНК, содержащую инструкцию по сборке этого редактора. И тут начинается решение проблем с логистикой. ДНК-инструкцию режут пополам, прикрепляя но концы фрагменты, которые сами на месте всё соберут и починят. Каждую половинку ДНК встраивают в свою линию вируса, а вирусы выращивают в количестве, достаточном для достижения терапевтического эффекта. Вирусы с полезной нагрузкой вводя в кровеносную систему мышей и наблюдают за результатом.

Мне не хватает знаний для корректной интерпретации результатов, но, кажется, замена ДНК удалась как минимум на 25%. Для восстановления производства фермента и этого достаточно, все сто процентов мощностей редко востребованы.

Почему это важно?

Почему я зацепился именно за эту статью?
Часто проскакивают новости об обнаружении очередного гена, отвечающего за что-то очень важное: вероятность появления нейродегенеративных заболеваний, сердечно-сосудистые заболевания, синтез меланина волосяными фолликулами после 50 лет и т.п. И большая часть этих новостей не более чем занимательные факты, не имеющие к ныне живущим прямого отношения. Даже если вы слышали о CRISPR Cas9 и генной терапии, то припоминаете, что речь там обычно шла о регулярно обновляющихся клетках. Увы, и нервные клетки, и клетки сердечной мышцы относятся к неделящимся, а, значит, нам предстоит жить с той версией, какая есть.

Предстояло... Что-то начинает меняться! Пока это только опыты на мышах. И после каждого эксперимента учёные, скрестив пальцы, пытаются убедиться, что правки генома затронули только корректируемый участок. В нашу жизнь эти технологии придут лет через 20-40. Так что заботьтесь о своём здоровье, берегите себя, и у вас появится шанс дотянуть до

The game of god. Level up.
Five minutes of entertaining biology.

There are a lot of difficulties with science. Thousands of articles are published daily, but not all of them are based on truly qualitative research. Also, scientists are not always good with a clear and consistent presentation of their results. In general, it is easy to miss something significant in your field, but now I’ll climb into biology far from me.

Yes, somewhere at the end there will be a section “Why is this important?”. If you are too lazy to read the entire text, then just look at the last part.

It will be about a new work in the most hype-free topic for biologists today - genome editing. It would be better to retell this to some real biologist “with help” like [id197242052 | Asi Kazantseva] or [id187756 | Alexander Panchin], but I’ll try to cope somehow.
Disclaimer: the author may misinterpret something and get confused in concepts, but try to make it so that it is not too striking.

If you follow the development of biology even a little, then you know something about CRISPR Cas9 genome editing technology. There are actually a lot of CRISPR’s, but the Cas9 version is the most popular. If these abbreviations do not tell you anything, then Wikipedia will help you get off the tree and touch the fresh biological tricks of en.wikipedia.org/wiki/CRISPR
CRISPR technology for modern biology is about the same significant thing as the discovery of the Higgs boson for physics. The only difference is that CRISPR technology delivers significant results now, and the Higgs boson will bring only grants for another hundred years.

If you have an acute desire, when descending from a tree, immediately put aside the club and move to the Bronze Age, then I recommend reading more about induced stem cells. They have nothing to do with today's topic, but it’s interesting there.
en.wikipedia.org/wiki/Stem Cell_induced

Actually, to the article.
In October, Nature Medicine published an article entitled “Treatment of metabolic liver disease by editing genomic bases in live adult mice” (sorry for the clumsy translation). And here you should immediately pay attention to three important points.
Firstly, we are talking about editing the genome of quite adult individuals. The task is much less trivial than to correct the body at an early embryonic stage, when there are 2-4-8-16 cells in the whole body. Take it and rule.
Secondly, we are talking about editing the genome of liver cells. And here it’s worth remembering (I will tactfully leave this verb) that our cells are different. Some share at an enviable rate. Biologists deprived of fantasies called them “constantly (often) dividing cells”. Working with them is a pleasure. No need to edit the stubborn double helix. Why, if in the process of division all the important manipulations can be done with its pliable single-chain version? Alas, all this does not concern liver cells. They belong to non-dividing cells. More precisely, their subspecies, which can be divided under certain incentives (for example, if the body has lost a decent piece of the liver, and the loss must be made up for). But under normal conditions, liver cells reach adulthood and perform their functions for years, leaving little chance of catching them at the time of division and correcting single-stranded DNA with classic CRISPR Cas9.
This implies, thirdly. To achieve the result, corrections must be made to double-stranded DNA. The classic CRISPR Cas9 relies on cutting and replacing a single-stranded DNA region. As I understand it, an attempt to crank something similar with double-stranded leads to the creation of a heap of non-functional stuffing inside the cell. How much more difficult is it to make double-stranded DNA changes? The analogy for IT professionals: you have a highly loaded system, deployed on hardware with excellent RAID1 (mirror), and low-level access to each disk. The task is to make changes and not to bang anything. And yes, you don’t know exactly where to make the changes, but you were kindly indicated what was written in the memory before and after the edited piece. Have fun!

The mice in the article were treated for phenylketonuria, more precisely, for its mouse version: a similar mutation with the same manifestations and inheritance in an autosomal recessive manner. Phenylketonuria disrupts the production of one important liver enzyme that allows you to digest proteins without suffering from the toxic effects of phenylalanine.
In the case of the absence of the enzyme, there is also a workaround. Instead of repairing the DNA of the original cell, you can use the virus to deliver a hefty piece of specially modified DNA to the cell. She will be responsible for the expression of the necessary proteins (viruses work this way), which in turn will restore the production of the necessary enzymes. The workaround, however, has its drawbacks, the details of which I only vaguely guess (since I was lazy and did not read another source).

But the authors of a recent article decided not to look for a workaround, but to fundamentally correct the genome in double-stranded DNA. Fortunately, certain developments in this matter exist under the general name "editor of the grounds." The editors are great! They are "at