Про редактирование эмбрионов

Ученые из института Фрэнсиса Крика в Лондоне применили технологию CRISPR/Cas9 для редактирования здоровых человеческих эмбрионов, выключив у них фактор OCT4, чтобы изучить его функции на начальных стадиях эмбрионального развития. Исследование опубликованов Nature, также на сайте журнала можно ознакомиться с редакционной заметкойс комментариями специалистов.

Технология редактирования генома CRISPR/Cas9 за прошедшие пять лет с момента ее первого применения в клетках млекопитающих стала так популярна, что исследователи задумались о возможности редактирования эмбрионов человека для исправления вредных мутаций. О пионерских работах китайских исследователей, которые пытались вылечить у эмбрионов β-талассемию (безуспешно) и их американских коллег, исправивших в эмбрионах мутацию, ведущую к заболеванию сердца (успешно), мы недавно писали.

Однако английские ученые впервые использовали возможности CRISPR/Cas9 на человеческом материале не для лечения наследственных заболеваний, а просто в исследовательских целях. Авторы новой работы выключили в оплодотворенных яйцеклетках (зиготах) ген, участвующий в эмбриональном развитии, чтобы детальней изучить его функцию. По всей видимости, эта работа откроет путь к использованию человеческих эмбрионов в качестве стандартной лабораторной модели. До этого момента регуляторные органы запрещали подобные исследования по этическим соображениям.

В данной работе ученые использовали материал, полученный в результате искусственного оплодотворения в репродуктивных клиниках. «Ненужные» эмбрионы, а точнее, зиготы — оплодотворенные яйцеклетки, содержащие двойной набор хромосом, оставшиеся после успешных процедур, были пожертвованы для исследований клиентами клиник. До этого ученые пытались работать либо на «дефектных» эмбрионах, содержащих тройной набор хромосом, либо проводили процедуру искусственного оплодотворения самостоятельно.
Целью исследования было изучение функций белка OCT4, который кодируется геном POU5F1, на первых стадиях образования эмбриона до его имплантации, а также отработка технологий редактирования эмбрионов. Также ученые сравнили эффект выключения гена POU5F1 в человеческих и мышиных эмбрионах. Ген кодирует транскрипционный фактор OCT4, который, как было показано ранее на стволовых клетках, препятствует дифференциации клеток и поддерживает их плюрипотентное состояние, то есть способность развиться в любой тип клеток. Ученые предполагали, что при развитии эмбриона этот ген необходим для образования так называемой внутренней клеточной массы, из которой впоследствии развиваются зародышевые листки.
В эксперименте ученые ввели путем микроинъекции в ядра 37 зигот комплекс белка Cas9 с направляющей РНК для гена POU5F1. Предварительно последовательность направляющей РНК была подобрана на культуре эмбриональных стволовых клеток. Еще 17 зигот было использовано для контроля, в них ввели только белок Cas9. Параллельно было отредактировано некоторое количество мышиных эмбрионов для сравнения.

 

Более половины экспериментальных зигот прошло через одно-два деления и остановилось в развитии, не достигнув стадии бластоциста — той стадии развития, на которой происходит имплантация эмбриона в стенку матки. Однако 19 процентов (7 из 37) эмбрионов все-таки развились в бластоцист, при этом в них наблюдалось уменьшенное количество клеточной массы, из которой, собственно, и развивается зародыш. Экспериментальные мышиные эмбрионы нормально сформировали бластоцисты.
Авторы также сравнили экспрессию генов в отредактированных клетках бластоцистов человека и мыши и обнаружили разницу в работе некоторых ключевых факторов, участвующих в формировании зародышевых листков. Из этих результатов ученые сделали вывод, что у человека белок OCT4 начинает работать раньше, чем у мышей, и регулирует большее количество нижестоящих факторов.
В ранних работах по редактированию эмбрионов эксперты обсуждали два ключевых недостатка технологии CRISPR/Cas9 — нецелевое редактирование и мозаичность эмбрионов. Для того чтобы убедиться в специфичности редактирования гена POU5F1, авторы обсуждаемой работы предсказали возможные участки связывания направляющей РНК и проверили их секвенированием. Ни в человеческих ни в мышиных эмбрионах никакой лишней активности Cas9 зарегистрировано не было. Эффективность редактирования при этом была довольно высока — авторы говорят о 70 процентах успеха. 
Однако, проанализировав клетки человеческих бластоцистов на наличие белка OCT4, ученые обнаружили, что в некоторых клетках он все-таки присутствует, что означает мозаичность эмбрионов. Впрочем, учитывая важность этого фактора для эмбрионального развития, в данном случае исследователи столкнулись с результатом давления отбора — только те эмбрионы смогли развиться в бластоцист, у которых осталось хотя бы минимальное количество белка.

• • Надо признать, что в данном случае успех редактирования определила относительная простота задачи. Сломать ген при помощи Cas9 гораздо проще, чем заменить в нем одну последовательность на другую, что пытались сделать авторы предшествующих работ. Тем не менее, успешное применение этой технологии означает, что «чисто исследовательские» работы на человеческих эмбрионах будут повторяться и совершенствоваться. В конце концов, как сказал один из комментаторов исследования, «если мы хотим изучать развитие человека, мы должны работать непосредственно на эмбрионах человека, а не полагаться на модели».

    Черные - "сломанная" последовательность. sgRNA2b-Cas9 - комплекс белка с направляющей РНК, Cas9 - контрольный белок без "мишени" для редактирования. График показывает, что в случае успешного редактирования эмбрион не доходит даже до стадии восьми клеток.
    Norah M. E. Fogarty et al / Nature 2017

Иллюстрация 2: Схема образования мозаичного эмбриона в случае неполного редактирования. Полноценная копия гена хотя бы в одной из клеток позволяет сформировать бластоцист. На нижней панели зеленым цветом помечен OCT4 в составе такого мозаичного бластоциста.
Norah M. E. Fogarty et al / Nature 2017