Дайджест Генная инженерия

3 ноября, 2020 г. ДАЙДЖЕСТ по инновационным технологиям и разработкам в генной инженерии Центр научно-технической информации при Министерстве инновационного развития Республики Узбекистан Ташкент-2020

Содержание Технология редактирования генома 3 4 Применение технологии редактирования генома в генной терапии человека 7 10 Применение генной инженерии в сельском хозяйстве 11 Применение генной инженерии в уменьшении выбросов СО2 Генная инженерия в Узбекистане 2

Технология редактирования генома Редактирование генома - это способ внесения определенных изменений в ДНК клетки или организма. Специальный фермент, называемый «инженерной нуклеазой», «разрезает» ДНК в определенной последовательности, и когда «разрезанная часть» восстанавливается клеткой, в последовательность вносятся изменения. Редактирование генома активно используется: - В сельском хозяйстве для генетической модификации сельскохозяйственных культур с целью повышения их урожайности и устойчивости к болезням и засухе, а также для генетической модификации крупного рогатого скота. - В генной терапии для лечения инфекционных и генетических заболеваний человека посредством модификации клеток крови [1]. Существуют различные технологии редактирования генома такие как: - CRISPR Cas9 - (Clustered regularly interspaced short palindromic repeats, CRISPR associated protein 9 — Короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами, CRISPR- ассоциированный белок 9) – это система точного редактирования ДНК с помощью управляемой при помощи РНК-гидов . эндонуклеазы, разрезающей ДНК вируса - TALEN (Transcription Activator-Like Effector Nuclease - Подобные активатору транскрипции эффекторные нуклеазы) - рестрикционные ферменты, которые могут быть сконструированы для разрезания определенных последовательностей ДНК. - ZFN (Zinc finger nucleases - Нуклеазы цинк-пальцевые) - искусственные ферменты рестрикции, генерируемые путем слияния цинкового пальца ДНК-связывающего домена к домену ДНК-расщепления. 3

Применение технологии редактирования генома в генной терапии человека В последние годы препараты для генной терапии наконец получили одобрение в Европе, США и Японии. Параллельно с этим прогресс в технологиях редактирования генома позволил разработать терапевтические стратегии путем нокаута и репарации генов, что было трудно при традиционной так называемой генной аддитивной терапии. Согласно исследованию д-ра Коносуке Митани Центра геномной медицины Медицинского университета Сайтамы (Япония) [2], во всем мире уже проведено более 30 клинических испытаний терапии редактированием генома, и некоторые протоколы показали не только безопасность, но и терапевтическую эффективность. В клиническом применении редактирования генома, помимо технических препятствий традиционной генной терапии, существуют проблемы, специфичные для технологии редактирования генома, такие как риск введения мутаций ДНК из-за нецелевой активности ферментов и иммунного ответа на искусственные нуклеазы. Необходимо учитывать объективный риск и пользу по сравнению с существующими терапевтическими протоколами. Сегодня можно наблюдать за развитием различных технологий для терапевтического применения при более широком спектре заболеваний. 4

Применение технологии редактирования генома в генной терапии человека Так, Калифорнийская биотехнологическая компания Sangamo Therapeutics осенью 2017 года предприняла первую попытку излечение генетического заболевания и начала клинические испытания нового метода, который подразумевает «починку» дефектного гена с помощью технологии «цинковых пальцев» (Zinc finger nuclease), при которой обезвреженные вирусные частицы, несущие закодированный инструмент для редактирования генома, попадают в организм с помощью обычной внутривенной капельницы. В 2017 г. в Калифорнии в больнице Окленда впервые была проведена операция по «редактированию» генома взрослого человека прямо внутри его тела. Пациентом стал 44-летний Брайан Мадо с генетическим заболеванием - синдромом Хантера (мукополисахаридоз II типа). Мукополисахаридоз II типа — это метаболическое заболевание, вызванное нарушениями в процессе обмена веществ, проявляемое задержкой роста, поражением многих органов и систем, выраженными деформациями костей и суставов, грубыми чертами лица, патологией дыхательной и сердечнососудистой систем, нарушением слуха [3]. Всего в мире больных с данным диагнозом насчитывается около 10 тыс. Многие с тяжелой формой синдрома Хантера из-за закупорки дыхательных путей или сердечной недостаточности не доживают и до 20 лет 5

Применение технологии редактирования генома в генной терапии человека Американским ученым Медицинской школы Перельмана университета Пенсильвании (США) при помощи мегануклеазы, фермента для редактирования генома, удалось частично выключить ген PCSK9 в печени обезьян, который контролирует уровень липопротеинов низкой плотности (ЛПНП) в крови, что привело к снижению их концентрации и связанного с ними «плохого» холестерина в крови животных. Эксперты оценили данный метод как «перспективное средство для облегчения состояния людей с высоким риском сердечно-сосудистых заболеваний», пишут авторы в своей статье в Nature Biotechnology [4]. Таким образом, ученые продемонстрировали на примере макак-резусов способность специально спроектированной мегануклеазы на основе эндонуклеазы I-CreI эффективно разрезать ДНК при доставке in vivo [5]. Как известно, Нобелевская премия по химии 2020 года была объявлена 7 октября 2020 года. Она была присуждена Эммануэль Шарпантье и Дженнифер Дудна «за разработку метода редактирования генома», за совместную работу, которая произвела революцию в молекулярных науках о жизни. Они открыли один из самых точных инструментов генной технологии, а именно генетические ножницы CRISPR / Cas9, с помощью которой исследователи могут редактировать ДНК живых организмов со сверхвысокой точностью и всего за несколько недель. Значимость данного открытия заключается в разработке новых методов лечения рака и наследственных заболеваний [6]. 6

Применение генной инженерии в сельском хозяйстве Сельское хозяйство 21 века сталкивается с рядом серьезных проблем. По прогнозам, к 2050 году население мира увеличится до 10 миллиардов. Для того, чтобы накормить такое количество людей, потребуется 70%-ное увеличение производства продуктов питания в мире. Однако доступных сельскохозяйственных земель не хватает, поскольку изменение климата и растущая урбанизация приводят к сокращению доступных пахотных земель. Поиск новых земель для сельского хозяйства ведет к обезлесению, выбросам парниковых газов и утрате биоразнообразия. Чтобы прокормить растущее население без возможности расширения сельскохозяйственных угодий, потребуется повышение производительности. Тем не менее, урожайность основных сельскохозяйственных культур в течение последних нескольких десятилетий снижается, и опасения по поводу использования синтетических пестицидов и искусственных удобрений могут привести к определенным проблемам. Возможное решение этих проблем – генная инженерия. Манипулируя геномами сельскохозяйственных культур, можно увеличить урожай, повысить их устойчивость к климатическим стрессам и придать растениям врожденную устойчивость к определенным заболеваниям. На протяжении многих лет, люди, в некотором смысле, манипулировали ДНК сельскохозяйственных культур посредством селекции, однако с появлением новых технологий генной инженерии редактирование ДНК стало весьма популярным методом, используемым в сельском хозяйстве. 7

Применение генной инженерии в сельском хозяйстве В недавнем отчете IDTechEx «Genetic Technologies in Agriculture 2020-2030: Forecasts, Markets, Technologies» [7] рассматривается использование генетических технологий в сельском хозяйстве и их влияние на мировое сельское хозяйство. Спектр генетических технологий, используемых в сельском хозяйстве Источник: Отчет IDTechEx «Genetic Technologies in Agriculture 2020-2030: Forecasts, Markets, Technologies» Согласно отчету, в 2019 году американская биотехнологическая компания Calyxt объявила о первом коммерческом запуске продукта, полученного из генетически модифицированного урожая, - высокоолеинового соевого масла под брендом Calyno. Соевые бобы редактировались с использованием технологии TALEN по лицензии его материнской компании Cellectis. Преимущества данного продукта заключаются в том, что содержит 80% олеиновой кислоты, на 20% меньше насыщенных жиров и без трансжиров, что полезно для сердца. 8

Применение генной инженерии в сельском хозяйстве Еще одной важной задачей генетической инженерии является защита растений от насекомых-вредителей. Применение инсектицидов не всегда является эффективным в связи с их токсичностью и возможностью смыва инсектицидов с растений дождевой водой. В генно-инженерных лабораториях Бельгии и США были успешно проведены работы по внедрению в растительную клетку генов земляной бактерии Bacillus thuringiensis, которые позволяют синтезировать инсектициды бактериального происхождения. Эти гены были введены в клетки картофеля, томатов и хлопчатника, вследствие чего трансгенные растения картофеля и томатов стали устойчивы к колорадскому жуку, растения хлопчатника оказались устойчивыми к разным насекомым, в том числе и к хлопковой совке. Применение генной инженерии в сельском хозяйстве позволило сократить использование инсектицидов на 40 - 60%. Генными инженерами были выведены трансгенные растения с увеличенным сроком созревания плодов, что не позволяет плодам перезреть [8]. В отличие от трансгенных методов, редактирование генома намного быстрее и дешевле в исполнении, а сама техника гораздо точнее, что увеличивает вероятность успеха новых культур. Поскольку он основан на изменении собственного генома организма, а не на вставке чужеродной ДНК, компании по редактированию генов надеются, что отредактированные геномом культуры избегнут ярлыка «Frankenfoods» (генетически модифицированные продукты питания) и негативной реакции потребителей, связанной с ГМО. 9

Применение генной инженерии в уменьшении выбросов СО2 В сентябре 2020 г. Фонд информационных технологий и инноваций США (The Information Technology & Innovation Foundation) - аналитический центр, занимающийся научно- технической деятельностью, опубликовал отчет, в котором освещены возможные варианты использования этой технологии [9]. Эксперты утверждают, что редактирование генов растений и животных может помочь снизить выбросы парниковых газов в сельском хозяйстве и других секторах. Слишком долго потенциал биотехнологий для решения проблем изменения климата уступал место инженерному делу, химии и энергетике. Но новые достижения в области редактирования генов могут сделать сельское хозяйство более эффективным и снизить степень углерода в атмосфере. Некоторые из этих преимуществ в производительности могут быть получены за счет сокращения пищевых отходов, которые выбрасывают в атмосферу до 1,9 миллиарда тонн CO2 каждый год, с помощью генно-инженерных растений. Также технологии генной инженерии могут сократить выбросы от крупного рогатого скота, из-за которых в воздух выбрасывается 2,86 миллиарда тонн CO2 в год. Редактирование генов растений позволит улучшить их фотосинтез и более эффективно улавливать и связывать углерод из воздуха. Согласно мнениям экспертов США, сельское хозяйство является основным источником парниковых газов, и такие инструменты, как CRISPR, при надлежащем регулировании, сыграют важную роль в создании более устойчивых растений. 10

Применение генной инженерии в Узбекистане В Узбекистане при помощи технологий генной инженерии разрабатываются новые сорта сельскохозяйственных растений, что позволяет получать урожаи желаемого качества и повысить урожайность отечественных полей. Хлопок серии сортов «Порлок» является сортом сельскохозяйственных растений, созданным в Узбекистане с применением технологий генной инженерии. Этот сорт хлопка был создан в лабораториях Центра геномики и биоинформатики при Академии наук под руководством нынешнего Министра инновационного развития доктора биологических наук, академика Абдурахмонова И.Ю. с помощью впервые разработанной технологией ген-нокаута (\"выключения генов\") хлопчатника. В такой технологии не используется перенос генов из других организмов, что делает продукт экологическим чистым и безопасным [10]. На технологию ген-нокаута были получены патенты в США, Египте, России и Китае. Кроме того, получен патент PCT, которая защищает технологию в более чем 140 странах мира. В настоящее время проводятся работы по получению патента в Индии. Следует особо отметить, что патентом защищен приоритет использования технологии нокаута также и на других важных сельхозкультурах. Поэтому, из-за высокой эффективности концепции ген-нокаута, она широко применяется для создания новых сортов хлопчатника, пшеницы, картофеля, и других сельхозкультур. 11

Применение генной инженерии в Узбекистане Так путем нокаута гена ESKIMO1 были созданы новые ген-нокаутные сорта хлопчатника устойчивые одновременно к засухе, засолению почвы и низкой температуре. Учитывая проблемы ограниченности водных ресурсов и засоление почвы в нашем регионе эти сорта хлопчатника имеют огромную перспективу для дальнейшей коммерциализации. Кроме того, под руководством Абдурахмонова И.Ю. из возбудителя фузариозного вилта был клонирован уникальный ген FosTUA, который управляет механизмом проникновения гриба в растение. На основе данного гена была создана генетическая конструкция, которая введена в хлопчатник. В результате был получен «бронированный» хлопчатник, который не заражается фузариозным вилтом. Кроме того, Учеными Центра геномики и биоинформатики в хлопчатник была внедрена технология маркер-ассоциированной селекции (МАС), с помощью которой за короткий срок были разработаны новые высококачественные сорта хлопчатника Равнак-1, Равнак-2 и Барака. Это первые сорта хлопчатника в мире, разработанные с помощью технологии МАС. Сегодня в Центре геномики и биоинформатики специалисты также вплотную занимаются проблемами зерноводов. Они работают над новым сортом пшеницы, который позволит получать муку с высоким показателем клейковины. Это очень важный показатель для использования в макаронной и хлебобулочной промышленности. Создается новый сорт пшеницы, устойчивый к ржавчине – болезни, которая снижает урожайность [11]. 12

Применение генной инженерии в Узбекистане Также в лабораториях Центра из генномодифицированной клетки выращивают виноградник. Специалисты надеются, что им удастся получить уникальный сорт винограда с повышенным содержанием глюкозы в ягодах. Такая продукция на рынке всегда пользуется большим спросом [11]. Таким образом, с помощью генной инженерии можно достичь высоких урожаев, добиться увеличения полезных веществ в генетически измененной продукции, существенно расширить ареалы посева сельхозпродуктов, приспособив их к экстремальным условиям, таким, как засуха и холод. Путем генетической модификации растений можно существенно уменьшить интенсивность обработки полей пестицидами и гербицидами. С помощью применения технологий редактирования генов можно излечить наследственные и инфекционные заболевания, существенно продлить жизнь человека. Модифицированные гены живых организмов и растений, также, помогут решить некоторые экологические проблемы, возникающие в результате большого объема выброса СО2 в атмосферу. 13

Источники 1. What is genome editing? // https://www.yourgenome.org/facts/what-is-genome- editing#:~:text=Genome%20editing%20is%20a%20way,is%20made%20to%20the %20sequence. 2. Kohnosuke MITANI, Application of genome editing technology in human gene therapy, Translational and Regulatory Sciences, Article ID 2020-007, Released August 05, 2020, Online ISSN 2434-4974, https://doi.org/10.33611/trs.2020- 007 3. Новиков П.В., Семячкина А.Н., Воинова В.Ю., Захарова Е.Ю., Воскобоева Е.Ю. Федеральные клинические рекомендации по диагностике и лечению мукополисахаридоза типа II. Министерство здравоохранения РФ. // http://www.rare-diseases.ru/images/Article/science- base/mukopolisahadidoz2.pdf 4. Wang, L., Smith, J., Breton, C. et al. Meganuclease targeting of PCSK9 in macaque liver leads to stable reduction in serum cholesterol. Nat Biotechnol 36, 717–725 (2018). https://doi.org/10.1038/nbt.4182 5. Спасская Д. Редактирование генома помогло снизить концентрацию «плохого» холестерина в крови // https://nplus1.ru/news/2018/07/12/meganuclease 6. CRISPR genome editing gets 2020 Nobel Prize in Chemistry // https://cen.acs.org/biological-chemistry/gene-editing/CRISPR-genome-editing- 2020-Nobel/98/i39 7. Michael Dent. Genetic Technologies in Agriculture 2020-2030: Forecasts, Markets, Technologies. // https://www.idtechex.com/en/research-report/genetic- technologies-in-agriculture-2020-2030-forecasts-markets-technologies/750 8. АгроФорум - Генная инженерия в сельском хозяйстве // http://agroforum.su/viewtopic.php?f=75&t=29111 9. L. Val Giddings, Robert Rozansky, And David M. Hart. Gene Editing for the Climate: Biological Solutions for Curbing Greenhouse Emissions. // http://www2.itif.org/2020-gene-edited-climate- solutions.pdf?_ga=2.234509022.1573205129.1600882091- 2139018817.1599576480&utm_source=newsletter&utm_medium=email&utm_c ampaign=newsletter_axiosfutureofwork&stream=future 10. Центр геномики и биоинформатики. // http://genomics.uz/ 11. В Узбекистане при помощи генной инженерии создали сорт хлопка // https://anhor.uz/it-science/v-uzbekistane-pri-pomoshi-gennoy-inzhenerii-sozdali- sort-hlopka 14

Для заметок 15

Центр научно-технической информации при Министерстве инновационного развития Республики Узбекистан Ташкент-2020