Когда мозг горит синим пламенем

Нейроны с исправленным геном, белок которого светится голубым. Фото из журнала Science

Осенью 2015 года многие ждали, что Нобелевскую премию по медицине присудят в числе прочих и Дженнифер Дудне, сотруднице Калифорнийского университета в Беркли (пригороде Сан-Франциско), которая довела «до ума» бактериальную защиту от чужеродных ДНК применительно к человеку. Ее сообщение в журнале Science «Динамика геномного «допроса» живых клеток» скрывает довольно простую цель. Речь идет о молекулярном гибриде белка Cas с РНК, эффективно выявляющем гены-мишени, который в последние год-два «приспособили» к редактированию клеточного генома. Действует это так.

Протеиновый фермент при помощи молекулы РНК находит соответствующий «адрес» в виде фрагмента ДНК длиной 20 букв ген-кода. Далее фермент разрезает ДНК и способствует распаду вещества генов. Так бактерии защищаются от вирусов. Но они же дали в руки ученых мощное средство редактирования, позволяющее нацеленно атаковать «больные» гены и заменять их на здоровые.

Дудна и ее коллеги были поражены масштабом сканирования генома, осуществляемого композицией белка Cas и «адресной» РНК. Авторы сравнивают этот феномен с быстрым обнюхиванием собакой многих предметов и организмов, пока она не находит жертву, чтобы вцепиться в нее. Ученые оценили время ложных контактов фермента с ДНК, оно составляет от миллисекунд до секунды. Это позволяет нескольким тысячам гибридных комплексов «обнюхать» весь клеточный геном за какие-то минуты (на самом деле 300 млн сайтов).

Второй обзор эффективности работы Cas, полученный из Беркли, был опубликован в журнале Nature, где описано быстрое сближение разделенных отделов ферментной молекулы, которое сравнивается с приведением в действие ножниц, разрезающих обе цепи ДНК. Динамику процесса регистрировали на видео благодаря флюоресцентному свечению Cas.

Интересно, что даже меньший по размерам фермент из золотистого стафилококка (S. aureus) также успешно справляется с задачей. Это лишний раз демонстрирует исследователям, что механизм эволюционно консервативен (зарезервирован в ходе развития жизни). Обе работы позволяют глубже понять биологию возникновения «ошибок» с адресностью генов, возникающих сегодня при использовании гибридов, которые можно будет направлять более точно.

Карта перемещения фермента Cas в клеточном ядре: краснооранжевая окраска показывает более быстрое движение. Фото Physorg

Пример успешного применения пока еще несовершенного метода переноса генов (ген-трансфера) – защита экспериментальных собак от нейродегенеративного состояния, приводящего к слепоте, задержке умственного развития и заиканию (STM). Оно развивается вследствие дефицита одного из ферментов, отвечающего за расщепление протеинов, накапливающихся в нервных клетках и убивающих последние. В университете штата Миссури в г. Колумбия собакам с моделью данного заболевания с помощью вируса перенесли нормальную копию гена. Это резко снизило реактивность клеток белого вещества и накопление липофусцина, указывающего на аномальное накопление нерасщепленных жиров.

Экспериментаторы Гарвардского университета сообщили в журнале Neuron о модификации нервных клеток второго слоя коры, что привело к увеличению количества связей-синапсов. Их коллеги из Детского госпиталя Филадельфии обратили внимание на ген Jagged, белок которого мутирован у жертв миодистрофии Дюшена. Название гена происходит от jag, или зуб, острие (наподобие тех, что у колючей проволоки), и его мутация приводит к отсутствию зубов вследствие нарушения сигналов в ходе внутриутробного развития. Ген Jag «сидит» в коротком плече 20-й хромосомы, кодируя огромный протеин длиной 1218 аминокислот. Сама его величина говорит о важности белковой функции.

Одно из приложений журнала Science поместило на своей обложке фото ярко горящих голубым светом нейронов гиппокампа собаки, лежащего на основании височной доли мозга. Свечение отражает восстановление функции пораженных нервных клеток собаки после введения им во внутренние полости мозга (желудочки) вирусных частиц, несущих нормальный ген фермента.

Остается только выразить надежду, что положительные результаты, полученные на собачьей модели миодистрофии человека, довольно быстро дойдут до неврологических клиник. Это чрезвычайно важно, ведь Дюшен случается у каждого из 3500 мальчиков, то есть в стране с 70-миллионным населением детей с предрасположенностью к болезни около 2 тыс.