Що таке геном? Редагування генетичного коду: перспективи та виклики

У сучасному науковому світі поняття геному набуло величезного значення. Розуміння того, що таке геном і як його можна редагувати, відкриває нові можливості для досліджень, створення модельних організмів та розробки сучасних методів лікування генетичних захворювань.

Розглянемо основні поняття, принципи редагування геному та сучасні технології, серед яких провідне місце займає CRISPR.

---

Що таке геном?

Геном – це сукупність усієї спадкової інформації, що міститься у клітині організму. Він складається як із генів, що кодують білки, так і з некодуючих ділянок, які виконують регуляторні функції. У більшості організмів інформація зберігається у вигляді молекул ДНК, де послідовність чотирьох нуклеотидних азотистих основ – аденіну (А), гуаніну (Г), цитозину (Ц) та тиміну (Т) – визначає будову та функціонування клітини. Варто зазначити, що у деяких вірусів генетичний матеріал записаний у молекулі РНК, де тимін замінено на урацил (У), але поняття «геном» залишається актуальним незалежно від типу нуклеїнової кислоти.

---

Генетична інформація: складові та функції

Основні компоненти геному

• Гени. Це ділянки ДНК, які містять інформацію про синтез білків, що забезпечують життєдіяльність клітини.
• Некодуючі ділянки. Незважаючи на відсутність прямого кодування білків, ці сегменти виконують важливі регуляторні функції, впливаючи на експресію генів.

Навіть незначна зміна в послідовності нуклеотидів може спричинити серйозні порушення, такі як генетичні захворювання, що підкреслює важливість точності у збереженні та обробці генетичної інформації.

---

Для чого редагувати геном?

Редагування геному стало потужним інструментом у сучасній біології та медицині. Основні причини та застосування технологій редагування геному включають:

Дослідницькі потреби

У 90-х роках минулого століття з’явилися технології, які дозволили точно визначати послідовності нуклеотидів у геномах різних організмів, зокрема людини. Проте лише «прочитати» геном недостатньо для розуміння його роботи. Щоб з’ясувати, яку функцію виконує кожна послідовність, вчені застосовують методи редагування – вимикають або змінюють певні гени, аналізуючи вплив таких змін на клітинні процеси. Це нагадує експеримент із поетапним відключенням компонентів інопланетного пристрою для розуміння його роботи.

Створення модельних організмів

Редагування геному дозволяє створювати модельні організми з конкретними, контрольованими характеристиками. Наприклад, при дослідженні раку геном мишей може бути модифікований таким чином, щоб вони набули властивостей, схожих на захворювання людини. Це значно полегшує вивчення механізмів розвитку хвороб та пошук ефективних методів лікування.

Лікування генетичних захворювань

Одним із найперспективніших застосувань редагування геному є терапія генетичних хвороб. За допомогою сучасних технологій можна:

• Виправляти дефектні гени. Наприклад, при моногенних захворюваннях, де один або два генетичних дефекти відповідають за розвиток хвороби.
• Надавати клітинам відсутні функції. Сучасні методи, такі як терапія спінальної м’язової дистрофії препаратом «Золгенсма», вже застосовуються в ряді країн.

Проте важливо розуміти, що більшість досліджень зосереджено на генах із чітким генетичним фактором. Лікування складних, багатофакторних захворювань (наприклад, шизофренії або цукрового діабету) залишається викликом для сучасної науки.

---

Редагування геному: вплив на особину та потомство

Одне з ключових питань, що часто порушується у суспільстві, стосується того, чи змінюючи геном, ми впливаємо лише на окрему особину, чи на її майбутнє потомство. Відповідь залежить від типу клітин, що зазнають модифікації:

• Соматичні клітини. Зміни, внесені до клітин організму (наприклад, клітин крові), не передаються спадково. Такі корекції застосовують переважно для лікування захворювань без впливу на генетичний код наступних поколінь.
• Гамети та зигота. Модифікації, внесені у яйцеклітини, сперматозоїди або ранні стадії ембріонального розвитку, можуть передаватися потомству. Однак такі втручання наразі викликають етичні та законодавчі суперечки, і багато країн забороняють проведення експериментів з геномом людських ембріонів.

---

Технологія CRISPR: революція в редагуванні геному

Серед численних методів редагування геному особливе місце займає технологія CRISPR/Cas. Вона стала справжнім проривом завдяки своїй точності, ефективності та відносній простоті використання.

Як працює CRISPR?

CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) – це природна система імунного захисту бактерій та архей, яка дозволяє їм розпізнавати та знешкоджувати вірусні загрози. Основні принципи роботи CRISPR/Cas можна описати наступним чином:

1. Збереження «фоторобота» вірусу. Бактерії зберігають короткі послідовності ДНК вірусів у спеціальних ділянках геному. Ці послідовності діють як «фоторобот», що дозволяє пізніше впізнати збудника.
2. Розпізнавання та розрізання. При повторній інфекції білки Cas, керовані молекулами РНК, що відповідають вірусним фрагментам, знаходять і розрізають ДНК вірусу, запобігаючи його розповсюдженню.
3. Модифікація геному. Науковці адаптували цю систему, замінивши природні РНК-направники на штучно створені, які відповідають потрібним ділянкам ДНК. Таким чином, можна точно розрізати і замінювати дефектні гени.

За свої досягнення у цій галузі Нобелівську премію 2020 року отримали Еммануель Шарпентьє та Дженіфер Дудна. Їх дослідження стали основою для подальших розробок у сфері генетичної терапії.

---

Генетичні захворювання та можливості їх лікування за допомогою редагування геному

Моногенні проти багатофакторних захворювань

Сучасні дослідження зосереджені переважно на лікуванні моногенних захворювань – тих, які спричинені дефектом одного або декількох генів. Прикладом є використання CRISPR для виправлення дефектних генів, що відповідають за розвиток спадкових хвороб.

Однак існують і хвороби, що виникають у результаті складної взаємодії багатьох генів та факторів довкілля. Такі захворювання, як шизофренія або цукровий діабет, досі залишаються великою загадкою для науки, і їх лікування за допомогою сучасних технологій геномного редагування поки що не знайдено.

---

Етичні та законодавчі аспекти редагування геному

Людський геном: де проведення дослідів припиняється науковими етичними межами

Редагування геному людини викликає не лише науковий, а й етичний резонанс. Уряди різних країн мають власні правила та обмеження щодо експериментів з генетичними модифікаціями:

• Експерименти з ембріонами. Багато країн забороняють втручання в геном ембріонів, оскільки зміни можуть бути передані наступним поколінням, що несе невідомі ризики.
• Справи, що викликають суперечки. Наприклад, наприкінці 2018 року китайський дослідник Хе Цзянькуй оголосив про редагування геному людських ембріонів для отримання дітей, стійких до ВІЛ. Цей випадок викликав широке обговорення етичних норм і подальші обмеження з боку міжнародних комісій.

Проте дослідження на людських ембріональних клітинах, які не мають шансів на подальший розвиток у повноцінних дітей, проводяться в межах законодавчих норм і дозволяють вивчати основні механізми генетичних змін.

---

Редагування геному – це потужний інструмент сучасної науки, що відкриває нові горизонти в медицині, біології та генетиці. Знання про те, що таке геном і як його можна модифікувати, дозволяє розробляти новітні методи лікування генетичних захворювань та створювати модельні організми для дослідження складних біологічних процесів. Сучасні технології, зокрема CRISPR/Cas, демонструють вражаючі результати, проте їх використання потребує ретельного етичного та законодавчого регулювання.

З огляду на швидкий розвиток генетики, редагування геному обіцяє стати основою для розв’язання багатьох медичних проблем, при цьому викликаючи нові питання про безпеку, етику та наслідки для майбутніх поколінь. Незважаючи на виклики, перед наукою відкриваються величезні перспективи, і майбутнє геномного редагування залишається однією з найгарячіших тем сучасних досліджень.