Эмманюэль белки-ножницы. Почему Нобелевская премия за редактирование ДНК — самая долгожданная и самая спорная

Герои революции

Представьте: начало XX века, Российская Империя, идет русско-японская война, в стране неспокойно, а в царской семье нет наследника: все четыре ребенка Александры Федоровны и Николая II – девочки. И вот в 1904 году на свет появляется цесаревич Алексей, долгожданный преемник. Счастью родителей нет предела, но спустя всего пару месяцев младенец едва не умирает от сильнейшего кровотечения. Врачи ставят страшный диагноз: «царская» болезнь, гемофилия, при которой организм не может быстро сформировать сгусток крови, чтобы «закупорить» даже малейшую ранку. Любой порез, не говоря уже о более серьезных травмах, угрожает жизни, кроме того, человек может умереть от внутренних кровотечений. Болезнь наследника скрывали, но было ясно, что взойти на трон он не сможет: из-за постоянных кровотечений в суставах Алексей надолго терял способность передвигаться и страдал от сильных болей, любые травмы, обычные для детей его возраста, надолго загоняли цесаревича в постель. Все это наложилось на тяжелую ситуацию в государстве и во многом предопределило дальнейшие события.

Если бы лауреаты Нобелевской премии по химии 2020 года проводили свои исследования на сто лет раньше, история России и мира могла бы сложиться совсем по-другому. Гемофилия цесаревича Алексея была вызвана заменой всего одной «буквы» в гене, кодирующем так называемый фактор свертываемости крови IX. Он находится на Х-хромосоме, и девочки, несущие мутантный вариант гена, не заболевают, так как у них есть вторая здоровая копия. У мальчиков «подменного» гена нет. Технология CRISPR/Cas9, за которую Эмманюэль Шерпантье и Дженнифер Дудна удостоились награды, позволяет аккуратно вырезать поврежденный участок, после чего клеточные ферменты заполнят образовавшуюся брешь, ориентируясь на правильную последовательность, специально доставленную в клетку в ходе той же манипуляции. В 2016 году ученые сделали именно это – правда, пока не на людях, а на мышах. Исследователи подкорректировали геномы лишь небольшого количества клеток печени, которые синтезируют фактор свертываемости IX, но этого оказалось достаточно, чтобы животные с гемофилией выздоровели.

Полный переворот

Хотя технология CRISPR/Cas9 могла бы предотвратить революцию в России, в молекулярной биологии она ее как раз совершила. А вскоре, вероятно, совершит и в медицине. Невозможно переоценить значение инструмента, который позволяет точечно вырезать из ДНК какие-то фрагменты и вставлять на их место то, что нужно ученым. С его помощью пытаются лечить рак – например, модифицируя клетки-убийцы так, чтобы они находили и убивали именно раковые клетки, ВИЧ – вырезая из генома «окопавшиеся» там геномы вируса, и многие наследственные болезни, вызванные известными мутациями. И хотя пока технология CRISPR/Cas9 широко не применяется на людях из-за возможных нежелательных эффектов – как и любые системы, взятые из живых существ, она работает не на 100% идеально, и некоторые из возникающих оплошностей могут навредить человеку – очевидно, что в ближайшее время ее доведут до ума. Кроме медицины, CRISPR/Cas9 обещает произвести революцию в сельском хозяйстве и биотехнологиях: при помощи этого инструмента можно быстро и точно создавать животных, растения или микроорганизмы с точно заданными свойствами. Ну и наконец, революционная технология невероятно облегчает исследовательскую работу: то, что раньше требовало месяцев упорного труда, при помощи CRISPR/Cas9 может быть сделано легко и красиво.

Как и положено революциям, нынешняя тоже зарождалась в низах – в данном случае, в низах эволюционного древа. Система, позволяющая находить и разрезать определенные фрагменты ДНК, появилась у бактерий. С ее помощью бактерии защищаются от вирусов: фактически, эта система представляет собой бактериальный иммунитет. Не будь её, никаких бактерий вообще бы не было, потому что огромное множество вирусов, умеющих стремительно размножаться и изменяться, давно бы уничтожили все бактериальные клетки. Принцип работы бактериального иммунитета очень похож на «большой» иммунитет многоклеточных (еще одно наглядное доказательство единства всего живого): в нём есть библиотека всевозможных чужеродных последовательностей, и если какая-нибудь из них вдруг появляется в клетке, элементы бактериального иммунитета немедленно узнают и уничтожают её.

Но если наша иммунная система включает в себя сотни самых разных типов клеток, которые кодируются множеством генов, бактериальный иммунитет обходится куда более скромным арсеналом – но не менее хитроумным. Чужеродные последовательности, то есть те, что принадлежат не бактериям, а уничтожающим их вирусам – бактериофагам («пожирателям бактерий») собраны в определенном месте бактериального генома – хотя иногда для этого используется «внешний носитель»: особые дополнительные фрагменты ДНК, которые постоянно находятся в клетке. Небольшие кусочки вирусной ДНК – этакие «отпечатки пальцев» – разделены специальными сервисными участками. Рядом с библиотекой расположены гены, кодирующие белок, работающий как молекулярные ножницы. Копии всех вирусных «отпечатков» при помощи сервисного «хвостика» по одной соединяются с белками-ножницами, и этот комплекс плавает по бактериальной клетке, внимательно обшаривая все закоулки. Если вдруг он наткнется на фрагмент ДНК, совпадающий со встроенным в него «отпечатком», ножницы немедленно активируются и разрежут вредоносную ДНК.

Важно, что молекулярные ножницы разрезают ДНК в строго определенном месте. Это означает, что, если поместить эту систему в клетки человека и «натравить» на участок с мутацией две пары ножниц с нужными «отпечатками», они вырежут неправильный фрагмент. Затем ферменты клетки застроят дырку правильной последовательностью либо из неповрежденной хромосомы (напомним, у человека все хромосомы присутствуют в двух копиях: одна от мамы, вторая от папы), либо по шаблону, также добавленному в клетки. Точно так же можно не исправлять ошибки, а переписывать нужные фрагменты ДНК, чтобы получить организм с какими-то новыми свойствами.

Длинный список

Но революция на то и революция, что ее признаки удается распознать не сразу. Первые ученые, еще в 1987 году обнаружившие в клетках излюбленного объекта биологов, бактерии Escherichia coli повторяющиеся последовательности, не обратили на свое открытие никакого внимания, сочтя его забавным курьезом. Двумя годами позже непонятным участком заинтересовался испанец Франциско Мохика. За несколько лет он нашел аналогичные фрагменты в геномах самых разных бактерий и архей (еще один тип одноклеточных существ, как и бактерии, лишенных ядра) и предложил именовать их CRISPR (сокращение от сложного названия, смысл которого в том, что это повторяющиеся последовательности). Параллельно группа нидерландских исследователей обнаружила гены белков-ножниц (их назвали cas – от CRISPR associated genes, то есть гены, ассоциированные с CRISPR), которые всегда находились неподалеку от необычных повторов.

В 2003 году все тот же Мохика решил посмотреть, может быть, эти бактериальные последовательности есть еще у каких-нибудь организмов – благо, к этому моменту ученые расшифровали достаточно геномов всевозможных живых существ. И неожиданно обнаружил их у бактериофагов. Мохика сообразил, что сложная генетическая конструкция – инструмент для узнавания и обезвреживания вирусной ДНК. Он написал о своей догадке в статье и отправил ее в один из самых престижных журналов о естественных науках Nature – но редакция отклонила текст. Как и редакции еще нескольких престижных журналов. В итоге Мохика опубликовал свою работу в Journal of Molecular Evolution – неплохом, но куда менее «крутом» журнале. (Как тут не вспомнить Джоан Роулинг и ее мытарства с «Гарри Поттером» – вот только Роулинг все же дождалась всеобщего признания).

На самом деле, Мохика был не один: примерно в то же время еще несколько исследовательских групп догадались, зачем бактериям нужны диковинные конструкции. А биологи, занимавшиеся пищевыми технологиями – «усовершенствованием» бактерий, необходимых для производства йогурта – даже применили систему бактериального иммунитета в действии: атакуя микроорганизмы различными бактериофагами, они добились масштабного пополнения иммунной библиотеки, получив микробов, устойчивых к большинству вирусов.

Другие исследователи обнаружили еще несколько аналогичных систем в различных микроорганизмах – в том числе стрептококковую систему, где молекулярные ножницы состояли из одного белка, а не из нескольких, как у E. coli. Такой вариант, очевидно, гораздо удобнее для практического применения. В 2011 году команда литовского биолога Виргиниюса Шикшниса сумела «приспособить» ножницы и библиотеку стрептококка для кишечной палочки, получив таким образом инструмент, с которым можно работать в любой лаборатории. Потому что E. coli – это такая лабораторная Windows, а стрептококк – даже не Linux, а какая-то совсем маргинальная операционная система, и управляться с ней умеют только отдельные специалисты. Еще через год группа Шерпантье и Дудны тоже объявила о создании системы CRISPR/Cas9 под лабораторную «винду», но еще более удобную за счет объединения нескольких компонентов в один. Через несколько месяцев американский ученый Фэн Чжан еще улучшил систему, сократив ее до двух элементов (у Шарпентье и Дудны было три). Позже эти две группы вдрызг разругаются из-за патента на систему редактирования генома с применением CRISPR/Cas9 – но в итоге его получил Чжан.

Исследования CRISPR/Cas9 публиковались едва ли не с той же скоростью, что сегодня работы по COVID-19. Множество научных групп так и этак крутило систему и улучшало ее. Свои разработки представляли, в том числе, биоинформатик Евгений Кунин и микробиолог Константин Северинов. Количество людей, которые внесли весомый вклад в революцию, исчисляется десятками – а когда CRISPR/Cas9 наконец начнет применяться в медицине, счет пойдет на сотни. Выбрать из них трех самых-самых, основываясь только на научных заслугах, очень сложно, если вообще возможно. Поэтому Нобелевский комитет, очевидно, руководствовался еще какими-то соображениями – и, как любой субъективный выбор, он, безусловно, вызовет много споров. Но с одним согласны, наверное, все кто имеет отношение к биологии и медицине: создание системы геномного редактирования CRISPR/Cas9, вне всякого сомнения, достойно премии.