Редактирование генома для улучшения сельскохозяйственных культур: проблемы и возможности

Редактирование генома, или генов, включает несколько новых методов, позволяющих учёным точно изменять последовательности генома. Эти методы также позволяют изменять регуляцию экспрессии генов в заранее заданном участке и получать новые сведения о функциональной геномике организма. Появление редактирования генома вызвало значительный интерес, особенно среди специалистов в области сельского хозяйства, благодаря простоте, точности и широким возможностям этой технологии: она позволяет создавать улучшенные сорта сельскохозяйственных культур за счёт целенаправленного добавления ценных признаков или удаления нежелательных. В настоящее время ведутся исследования по созданию сортов с более высокой урожайностью, повышенной устойчивостью к стрессовым факторам, болезням и вредителям, сниженной потребностью в ресурсах и повышенной пищевой ценностью.

Редактирование генома охватывает широкий спектр инструментов, основанных на системах сайт-специфических рекомбиназ (SSR) или сайт-специфических нуклеаз (SSN). Обе системы требуют распознавания известной последовательности. Система SSN вызывает одно- или двунитевые разрывы ДНК и активирует эндогенные пути репарации ДНК. Технологии на основе SSR, например системы Cre/loxP и Flp/FRT, способны подавлять экспрессию генов или встраивать гены в геном эукариот в зависимости от ориентации специфических участков (loxP, FLP и др.), фланкирующих целевой участок. Для расщепления геномных последовательностей разработаны четыре основных класса SSN: мегануклеазы (мегануклеазы типа homing endonuclease), нуклеазы с цинковыми пальцами (ZFN), нуклеазы на основе эффектороподобных активаторов транскрипции (TALEN) и нуклеазная система CRISPR/Cas (сгруппированные регулярно расположенные короткие палиндромные повторы, разделённые промежутками / белок, ассоциированный с CRISPR). Геномная инженерия с использованием рекомбиназ зависит от семейства или подсемейства рекомбиназы и целевого участка и обеспечивает высокую частоту гомологичной рекомбинации.

Редактирование генов позволяет улучшать сельскохозяйственные культуры различными способами: изменять лишь несколько нуклеотидов из миллиардов, содержащихся в геномах живых клеток, заменять весь аллель или вставлять новый ген в заданный участок генома. Благодаря точности редактирование генов превосходит как традиционные методы селекции, так и стандартные методы генной инженерии. Поэтому эта технология представляет собой мощный инструмент для обеспечения продовольственной безопасности в мире. Помимо повышения пищевой ценности сельскохозяйственных культур, она является наиболее эффективным способом создания растений, устойчивых к вредителям и способных развиваться в неблагоприятных климатических условиях.

С помощью редактирования генома получают три типа модификаций: тип I включает изменение нескольких нуклеотидов, тип II — замену аллеля уже существующим аллелем, а тип III — вставку нового гена или генов в заранее определённые участки генома. Поскольку большинство методов редактирования генома может оставлять следы изменений ДНК, ограниченных небольшим числом нуклеотидов, культуры, созданные с помощью редактирования генов, могут не подпадать под строгие регуляторные процедуры, обычно применяемые при создании генетически модифицированных культур. Поэтому многие учёные считают, что растения, улучшенные с помощью более точных методов редактирования генов, будут приемлемее для общества, чем трансгенные растения. Редактирование генома открывает перспективы более быстрого создания новых сельскохозяйственных культур при очень низком риске внецелевых эффектов. Его можно применять в любой лаборатории к любой культуре, в том числе к растениям со сложными геномами, которые трудно размножать традиционными методами селекции.