Ген. Очень личная история - Сиддхартха Мукерджи
Шрифт:
Интервал:
Закладка:
Запрет государственного финансирования работ над новыми ЭСК поставил жирный крест на амбициозных замыслах генных инженеров человека, по крайне мере на время. Но он не мог остановить продвижение второй стадии, посвященной созданию постоянных, наследуемых изменений в геноме человека. Для этого нужно было разработать надежный и эффективный метод внесения желаемых правок в геномы уже полученных ЭСК.
Сперва это тоже казалось непреодолимым технологическим препятствием. Буквально все методики изменения генома человека были грубыми и малоэффективными. Ученые могли облучить стволовые клетки, чтобы заставить ДНК мутировать, – но эти мутации распределялись по геному случайным образом, игнорируя все попытки вызвать направленные изменения. Вирусы, несущие нужные генетические элементы, могли внедрить их в хозяйский геном, но места внедрения, как правило, были случайными, а новый ген часто оставался молчащим. В 1980-х изобрели другой метод направленного изменения генома – наполнение клеток кусочками чужеродных ДНК с измененным геном. В генетический материал клетки должны были встраиваться либо сами фрагменты ДНК, либо копии, синтезированные по введенным матрицам. Этот процесс работал, но только чудовищно неэффективно и с частыми ошибками. Надежное, эффективное, желаемое изменение – целенаправленное исправление конкретного гена конкретным образом – казалось невозможным.
Весной 2011 года к молекулярному биологу по имени Дженнифер Даудна обратилась бактериолог Эммануэль Шарпантье: ее заботила загадка, которая на первый взгляд не имела особого отношения к человеческим генам и генной инженерии. Шарпантье и Даудна тогда принимали участие в микробиологической конференции в Пуэрто-Рико. Пока они вместе прогуливались по переулкам Старого Сан-Хуана вдоль пестрящих то лиловым, то горчичным домов с арочными входами, Шарпантье рассказывала Даудне о своем увлечении бактериальной иммунной системой – механизмами, которыми бактерии защищаются от вирусов. Война между вирусами и бактериями такая древняя и ожесточенная, что ее стороны походят на старинных, неразлучных врагов, каждый из которых направляет развитие другого: их вражда отпечатывается даже в их генах. Вирусы развили генетические механизмы для заражения и убийства бактерий. Бактерии в ответ развили гены, обеспечивающие защиту. «Вирусная инфекция [это] тикающая бомба, – говорила Даудна. – У бактерии есть всего несколько минут, чтобы обезвредить эту бомбу, – иначе ее ждет уничтожение».
В середине 2000-х французские ученые Филипп Хорват и Родольф Баррангу наткнулись на один из таких механизмов бактериальной самозащиты. Будучи сотрудниками датской пищевой компании Danisco, они работали с сыродельными и йогуртовыми бактериями. Хорват и Баррангу обнаружили, что некоторые виды бактерий развили систему внесения в геномы вирусов координированных разрезов, парализующих вторженцев. Эта система, напоминающая молекулярный складной нож, опознавала вирусных рецидивистов по их последовательности ДНК. При этом разрезы она наносила не в случайных, а в строго определенных местах вирусного генома.
Вскоре выяснилось, что бактериальная система защиты состоит по меньшей мере из двух ключевых компонентов. Первый из них – «ищейка», или гид, – РНК, закодированная в бактериальном геноме и идеально соответствующая какому-то участку ДНК вируса. Эта РНК ищет и узнает тот самый участок вируса по хорошо знакомому нам принципу комплементарности: «ищейка» представляет собой зеркальное отражение этого участка – инь для своего ян. Это как постоянно носить фотографию врага в кармане, только в случае бактерии изображение будет инвертированным и накрепко вклеенным в ее геном.
Второй компонент защитной системы – «киллер». Когда найденная РНК-гидом ДНК признается чужеродной, бактериальный белок под названием Cas9[1164] привлекается для нанесения смертельного ранения вирусному геному. «Ищейка» и «киллер» работают сообща: белок Cas9 разрезает определенную последовательность ДНК интервента только после ее связывания с РНК-гидом. Это классический образчик согласованности подельников – наводчика и исполнителя, беспилотника и ракеты, Бонни и Клайда.
Даудна, которая большую часть своей сознательной жизни занималась биологией РНК, была заинтригована этой системой. Поначалу Дженнифер видела в ней любопытную диковинку – «самую непонятную вещь, над которой мне доводилось работать», как говорила она позднее. Но в сотрудничестве с Шарпантье она методично разобрала систему на отдельные компоненты.
В 2012-м Даудна и Шарпантье осознали, что этот механизм можно «программировать». Бактерии, конечно, важны образы вирусных генов, чтобы она могла отслеживать и уничтожать вторженцев; у нее нет никаких причин опознавать и резать большинство других геномов. Но Даудна и Шарпантье уже знали об этой системе самозащиты достаточно, чтобы ее обмануть: подменив распознающий элемент, они могли заставить систему делать направленные разрезы в любом генетическом материале. Заменяя «ищейку», поняли ученые, можно находить и резать разные гены.
В предпоследнем предложении притаилось словосочетание, способное отправить фантазию любого специалиста по генетике человека в неукротимый полет. «Направленный разрез» гена – это потенциальный источник мутаций. Большинство мутаций в геноме случайны: нельзя скомандовать ионизирующим лучам изменить только ген, ответственный за муковисцидоз или за болезнь Тея – Сакса. Однако с помощью системы Даудны и Шарпантье можно было вносить неслучайные мутации – программировать разрез именно в том участке, который она узнает. Изменяя распознающий элемент, ученые могли направлять атаку режущего элемента на выбранный ген, тем самым внося желанную мутацию[1165].
Этим возможные манипуляции с системой не ограничиваются. После разрезания гена высвобождаются два конца ДНК, похожие на обрывки струны и подлежащие «подравниванию». Вообще разрезание и подрезание цепей ДНК предназначены для починки сломанного гена, так что после этих событий клетка пытается восстановить потерянную информацию, используя неповрежденную копию гена, если такую удается найти. Материя должна сохранять энергию; геном создан так, чтобы сохранять информацию. Обычно системы геномной починки пытаются восстановить утраченную информацию по другой копии гена в этой клетке. Но если заполнить клетку подходящей чужеродной ДНК, они скорее бездумно скопируют информацию с нее, чем с одной вспомогательной копии гена. Информация, записанная в «подставном» фрагменте ДНК, таким образом, попадет в геном прямиком и надолго – как если бы в предложении стерли одно слово и написали другое, нужное, на его месте. Этим способом в геном можно вносить целенаправленные, заранее заданные изменения: например, нуклеотидную последовательность АТГГГЦЦЦГ превратить в АЦЦГЦЦГГГ (или любую другую). Мутантный ген, вызывающий муковисцидоз, можно подправить до его обычной версии; в организм можно внедрить ген устойчивости к определенным вирусам; мутантный BRCA1 можно вернуть к норме; мутантный ген хантингтина с его унылыми, монотонными повторами, можно частично удалить. Не случайно эту технологию назвали редактированием генома, или геномной хирургией.
В 2012 году Даудна и Шарпантье опубликовали[1166] свои данные по микробной защитной системе, названной CRISPR/Cas9, в
