Все, что вам нужно знать о редактировании генома

Ошибки в генетическом коде

Таблица сконструированных нуклеаз. Соответствующие цвета обозначают образцы распознавания ДНК. Источник: Фарзад Джамшиди / Викимедиа

Для редактирования ДНК используется множество различных методов и технологий. Тем не менее, большинство этих технологий обычно действуют как функции «вырезания» и «вставки» на вашем компьютере, позволяя ученым изменять ДНК в определенном месте генома организмов. Хотя большая часть ажиотажа вокруг редактирования генов сосредоточена вокруг его способности создавать людей, основное применение редактирования генома до сих пор находилось на растениях и некоторых животных в лабораторных условиях.

Можно ли исправить молекулярные ошибки?

Как только в 1940-х годах было осознано, что ДНК отвечает за наследственность, и в 1950-х годах была выяснена структура молекулы ДНК, исследователи поняли, что ошибки в этом генетическом коде ответственны за многие болезни и наследственные состояния.

Последовавший за этим вопрос был очевиден. Можно ли исправить эти ошибки? Этот вопрос привел к появлению генной инженерии в 1970-х годах, когда новый генетический код был введен в ДНК организмов. Однако изначально эта технология не позволяла целенаправленно вводить новый материал.

Гомологичная рекомбинация

Одним из первых примеров нацеливания генов на определенные участки в геноме организма была гомологичная рекомбинация. Этот метод включает в себя создание своего рода шаблона, который соответствует целевой последовательности генома, и полагается на нормальные клеточные процессы для вставки этого шаблона в правильное место. Метод был успешно использован для введения генетических модификаций мышам с использованием эмбриональных стволовых клеток.

Условный таргетинг

Другой ранний метод использовал условное нацеливание с использованием ферментов, называемых сайт-специфическими рекомбиназами (SSR). Он позволил выключить или включить гены только в определенных клетках и в конечном итоге помог исследователям вызвать рекомбинацию при определенных условиях, выключая гены или экспрессируя их в определенное время или на определенных этапах развития.

Процесс генной инженерии

Мегануклеазы

Нуклеазы «цинковые пальцы»

В 1990-х годах ученые использовали «цинко-пальчатые нуклеазы» (zinc-fingered nucleases) для улучшения существующих методов редактирования генов. Эти синтетические белки используются для нацеливания на гены и состоят из ДНК-разрезающих эндонуклеазных доменов, слитых с доменами цинковых пальцев, сконструированных для связывания определенной последовательности ДНК. Их можно использовать для добавления или удаления участков разреза в геномах клеток. Хотя этот метод был значительно улучшен, вероятность успеха по-прежнему составляет всего около 10 процентов. Более того, разработка этого метода редактирования генов требует больших затрат и времени.

Эффекторные нуклеазы, подобные активатору транскрипции (TALEN)

Эффекторные нуклеазы, подобные активатору транскрипции (TALEN), имеют некоторое сходство с нуклеазами «цинковый палец». Разработанные в 2009 году, TALEN созданы из белков, встречающихся в природе, и способны связываться со специфическими последовательностями ДНК. И хотя их эффективность и действенность параллельны ZFN, их гораздо проще спроектировать.

Кластерные короткие палиндромные повторы с регулярными промежутками (CRISPR)

Хотя ZFN и TALEN действительно предлагают эффективное редактирование генома, одним из недостатков является то, что их разработка требует много времени и средств. И процесс создания белков подвержен ошибкам. CRISPR является настолько революционным в области редактирования генов, потому что предлагает ученым более быстрый и простой способ редактирования генома, «требующий небольшой сборки». CRISPR / Cas9 уже был в поле зрения исследователей в 1990-х годах, но его потенциал был реализован только в последние годы.

CRISPR может распознавать определенные последовательности генома и вырезать их, часто используя белок Cas9

Технология CRISPR основана на защитном механизме, который бактерии используют для борьбы с вирусами. Вирусы атакуют клетки, используя собственный механизм клеток для создания своих копий. В конце концов, клетки лопаются, и копии вируса попадают в организм, заражая новые клетки. Однако у бактерий появился способ сопротивляться, разрезая ДНК вируса. Если бактерии переживают вирусную атаку, они копируют части ДНК этого вируса и включают их в свои собственные геномы. Эти копии используются как фотографии, чтобы бактерии могли идентифицировать вредоносные вирусы.

Чтобы отслеживать эту коллекцию «снимков» и держать их отдельно от собственной ДНК бактерий, повторяющиеся последовательности молекул размещаются вокруг каждой последовательности, взятой из вируса. Когда бактерия сталкивается с вирусом с последовательностью в его коллекции, бактерии посылают фермент, чтобы разрезать и уничтожить все, что соответствует генетическому снимку. CRISPR позволяет ученым использовать аналогичный подход, часто используя белок Cas9 для вырезания и замены определенных последовательностей генов.

Технология CRISPR позволяет ученым быстро и эффективно изменять практически любой ген любого растения или животного с небольшими затратами. Исследователи уже использовали эту технику для коррекции генетических заболеваний у животных, выращивания сельскохозяйственных культур, более устойчивых к определенному климату, изменения органов свиньи для облегчения трансплантации человеку, стерилизации комаров для предотвращения болезней и увеличения мышечной массы гончих.

Ученые также могут использовать CRISPR для создания коротких шаблонов РНК, которые соответствуют целевой последовательности в геноме, что делает процесс редактирования намного проще, эффективнее, дешевле и быстрее. CRISPR в настоящее время используется для разработки методов лечения ВИЧ, мышечной дистрофии Дюшенна, некоторых типов слепоты и болезни Лайма, и это лишь некоторые из них.

Редактирование генов может быть использовано для решения широкого круга проблем, если технология достигнет зрелости

Существует множество распространенных проблем, которые потенциально можно решить с помощью редактирования генов.

Когда-нибудь исследователи смогут избавиться от малярии у комаров. Исследователи уже создали москитов, устойчивых к малярии, удалив определенный сегмент ДНК комаров. Нейродегенеративные заболевания, такие как болезнь Альцгеймера и Паркинсона, потенциально могут уйти в прошлое. Ученые уже работают над платформами на основе CRISPR, чтобы идентифицировать гены, контролирующие клеточные процессы, которые приводят к нейродегенеративным заболеваниям. В 2017 году исследователи использовали CRISPR, чтобы отключить способность вируса ВИЧ к репликации, удалив вирус ВИЧ из инфицированных клеток.

В 2016 году пациент с раком легких в Китае стал первым человеком, которому сделали инъекцию клеток, модифицированных с помощью CRISPR. Исследователи использовали CRISPR, чтобы отключить ген, который раковые клетки используют для деления и размножения. Исследователи надеются, что без гена раковые клетки не будут размножаться.

Можно ли в конечном итоге редактировать людей? Приведет ли это к генетической дискриминации?

Да и нет. Дизайнерские младенцы, кажется, ведут разговор при обсуждении CRISPR. Этические вопросы типа: «Можно ли использовать генную терапию на эмбрионе, если невозможно получить разрешение эмбриона на лечение?» или «Что, если генная терапия слишком дорога и только богатые люди могут получить к ней доступ и позволить себе?» лежат в основе забот большинства людей.

Что, если люди будут использовать эти инструменты для улучшения спортивных способностей или роста ребенка, а не для лечения болезней?

Приведет ли это к генетической дискриминации? Хотя исследователи все еще обсуждают аргументы за и против, редактирование генов у людей уже началось.

США, Китай и Великобритания одобрили редактирование генов у людей только в исследовательских целях.

Нам еще предстоит долгий путь, прежде чем мы будем гулять с мутантами

Генетический код – определение, функция, типы и тест

Генетический код – это код, который наше тело использует для преобразования инструкций, содержащихся в нашей ДНК, в основные материалы жизни. Обычно это обсуждается с использованием «кодонов», найденных в мРНК мРНК – это мессенджер, который переносит информацию от ДНК к месту синтеза белка.

Все в наших клетках в конечном итоге построено на основе генетического кода. Наша наследственная информация, то есть информация, которая передается от родителя к ребенку, хранится в форме ДНК. Эта ДНК затем используется для создания РНК, белков и, в конечном итоге, клеток, тканей и органов.

Как и двоичный код, ДНК использует химический язык с несколькими буквами для очень эффективного хранения информации. В то время как двоичный файл использует только единицы и нули, ДНК имеет четыре буквы – четыре нуклеотида аденин, цитозин, гуанин и тимин / Урацил.

Тимин и урацил очень похожи друг на друга, за исключением того, что «тимин» немного более стабилен и используется в ДНК. Урацил используется в РНК и обладает теми же свойствами, что и тимин, за исключением того, что он немного более подвержен мутированию.

Это не имеет значения в РНК, так как новые копии РНК могут быть получены из ДНК в любое время, и большинство молекул РНК преднамеренно разрушаются клетка вскоре после того, как они произведены, чтобы клетка не тратила ресурсы, производя ненужные белки из старых молекул РНК.

Вместе эти четыре буквы A, C, G и T / U используются для «написания» закодированных инструкций для каждой аминокислоты, а также для других инструкций, таких как «начало» транскрипция И «прекратить транскрипцию.»

Инструкции для «начала», «остановки» или для данной аминокислоты «читаются» клеткой в ​​виде трехбуквенных блоков, называемых «кодонами». Когда мы говорим о «кодонах», мы обычно подразумеваем кодоны в мРНК – «РНК-мессенджер», которая создается путем копирования информации в ДНК.

По этой причине мы говорим о кодонах, изготовленных из РНК, в которой используется урацил, вместо исходного кода ДНК, в котором используется тимин.

Каждая аминокислота представлена ​​в наших генетических инструкциях одним или несколькими кодонами, как показано ниже.

Одно из самых замечательных свидетельств общий спуск всей жизни на Земле от одного предка является тот факт, что все организмы используют один и тот же генетический код для перевода ДНК в аминокислоты.

Есть несколько небольших исключений, которые могут быть найдены, но генетический код достаточно схож по организмам, что когда ген из растение или медузу вводят в клетку млекопитающего, например, клетка млекопитающего будет считывать ген таким же образом и создавать тот же продукт, что и исходное растение или медуза!

Функция генетического кода

Генетический код позволяет клеткам содержать ошеломляющее количество информации.

Подумайте об этом: микроскопически оплодотворенная яйцеклетка, следуя инструкциям, содержащимся в ее генетическом коде, может произвести человека или слона, который даже имеет сходные черты и поведение с поведением своих родителей. Там много информации!

Разработка генетического кода была жизненно важной, поскольку она позволяла живым существам надежно производить продукты, необходимые для их выживания, и передавать инструкции о том, как сделать то же самое, следующему поколению.

Когда клетка стремится размножаться, первое, что она делает, – это копирует свою ДНК. Это «S» фаза клеточный цикл, что означает «Синтез» новой копии ДНК клетки.

Информация, закодированная в ДНК, сохраняется путем специфического спаривания оснований ДНК друг с другом. Аденин будет связываться только с тимином, цитозин с гуанином и т. Д.

Это означает, что когда клетка хочет скопировать свою ДНК, все, что ей нужно сделать, это разделить две нити двойная спираль и выстраивают нуклеотиды, с которыми «хотят» соединиться основания существующей ДНК.

Это конкретное сопряжение оснований гарантирует, что новая цепочка партнеров будет содержать ту же последовательность пар оснований – тот же «код», что и старая цепочка партнеров. Каждый результат двойная спираль содержит одну нить старой ДНК в паре с одной нитью новой ДНК.

Эти новые двойные спирали будут наследоваться двумя дочерние клетки, Когда пришло время размножаться дочерним клеткам, каждая нить этих новых двойных спиралей выступает в качестве шаблонов для новой двойной спирали!

Когда для клетки приходит время «прочитать» инструкции, содержащиеся в ее ДНК, она использует тот же принцип специфической парной связи. РНК очень похожа на ДНК, и каждое основание РНК специфически связывается с одним основанием ДНК. Урацил связывается с аденином, цитозином с гуанином и т. Д.

Это означает, что, как и при репликации ДНК, информация в ДНК точно передается в РНК, если полученная цепь РНК состоит из оснований, которые специфически связываются с основаниями в ДНК.

Иногда сама цепь РНК может быть конечным продуктом. Структуры, сделанные из РНК, выполняют в себе важные функции, включая сборку белков, регулирование экспрессии генов и катализирование образования белков.

Фактически, некоторые ученые считают, что первая жизнь на Земле могла состоять в основном из РНК. Это потому, что РНК может хранить информацию в своих парах оснований точно так же, как ДНК, но также может выполнять некоторые ферментативные и регуляторные функции.

Однако в большинстве случаев РНК транскрибируется в белок. Используя аминокислотные «строительные блоки жизни», наши клетки могут создавать почти белковые машины практически для любых целей, от мускул волокна для нейротрансмиттеров для пищеварительных ферментов.

При транскрипции белка кодоны РНК, которые были транскрибированы с ДНК, «читаются» рибосома, Рибосома находит соответствующую трансферную РНК (тРНК ) с «анти-кодонами», которые дополняют кодоны в РНК-мессенджере (мРНК), которая была транскрибирована с ДНК.

Рибосомы катализируют образование пептидных связей между аминокислотами, когда они «читают» каждый кодон в мРНК. В конце процесса у вас есть цепочка аминокислот, как указано в ДНК, то есть белок.

Другие строительные блоки жизни, такие как сахара и липиды, в свою очередь, создаются белками. Таким образом, информация, содержащаяся в ДНК, преобразуется во все материалы жизни, используя генетический код!

Типы генетических мутаций

Поскольку генетический код содержит информацию, которая делает жизнь, ошибки в организм ДНК может иметь катастрофические последствия. Ошибки могут произойти во время репликации ДНК, если неправильно базовая пара добавляется к цепи ДНК, если основание пропущено или добавлено дополнительное основание.

Редко, эти ошибки могут действительно быть полезны – «ошибочная» версия ДНК может работать лучше, чем оригинал, или иметь совершенно новую функцию! В этом случае новая версия может стать более успешной, и ее носитель может превзойти носителей старой версии в Население, Это распространение новых черт среди населения, как эволюция прогрессирует.

Молчаливые мутации и избыточное кодирование

1. Основными правилами спаривания ДНК и РНК являются:

Учитывая это, что из следующего будет анти-кодонной последовательностью для кодона мРНК, читающего «UUGCUGCAG?»A. AAGGACGUCB. AACGAGGUCC. AACGACGUCD. AACGACGUG

Ответ на вопрос № 1

С верно. Он содержит правильный комплимент всех букв в трех предоставленных кодонах мРНК.

2. Что из нижеперечисленного НЕ могло произойти в результате делеции одного нуклеотида?A. Ошибочная ошибка.B. Глупая ошибка.C. Мутация сдвига кадров.D. Ни один из вышеперечисленных.

Ответ на вопрос № 2

верно. Удаление одного нуклеотида приведет к мутации сдвига рамки, поскольку каждая аминокислота кодируется тремя основаниями. Рибосома будет продолжать считывать нуклеотиды в наборах по три – и поскольку один нуклеотид отсутствует, каждый набор из трех после этой делеции будет неправильным.

3. Для какой последовательности аминокислот кодируется последовательность мРНК UUGCUGCAG?A. Лейцин-изолейцин-глютаминB. Лейцин-лейцин-глютаминC. Лейцин-лейцин-АргининD. Изолейцин-изолейцин-глютамин

Ответ на вопрос № 3

В верно. Если вы обратитесь к таблице генетического кода в верхней части этой статьи, вы увидите, что это правильный перевод этой нуклеотидной последовательности.