В человеке все должно быть прекрасно: и одежда, и мысли, и гены. А поможет этому заимствованная у бактерий система CRISPR/Cas9.
В прошлом году исследователи из Китая впервые отредактировали ДНК эмбриона человека, недавно подобные опыты разрешили в Великобритании. И хотя о создании ГМ-детей речи пока не идет — такие эмбрионы потенциальным матерям не имплантируют, — уже ясно, что технологический прогресс в генной модификации человека не остановить. Когда-нибудь и это будет сделано. Для редактирования ДНК человеческих эмбрионов ученые из Китая использовали сравнительно молодой метод CRISPR/Cas9, за который когда-нибудь непременно дадут Нобелевскую премию. Как и большинство методов генной инженерии, он использует «природные» механизмы, появившиеся в ходе биологической эволюции. Молекулы CRISPR/Cas9 были позаимствованы у бактерий, а метод, обещающий изменить ход развития нашей цивилизации, был найден случайно, при усовершенствовании технологий производства йогурта.
Ювелирная работа
Точность CRISPR/Cas9 делает метод самым перспективным в генной инженерии. 1. Сельское хозяйство. Технология облегчит создание новых, высокопроизводительных и безопасных сортов растений и сельскохозяйственных животных. 2. Эпидемии инфекций. «Исправленные» гены могут быстро распространяться в популяции, обещая избавление от некоторых болезней, таких как малярия. 3. Генная терапия. Метод позволит лечить не только генетические заболевания: уже показана его способность полностью удалять гены ВИЧ из зараженных лимфоцитов. 4. Новые люди. Осторожная модификация половых клеток и эмбрионов позволит получать новые поколения людей — более здоровые, чем наше.
Джинн из баночки
В 2007 году в журнале Science появилась публикация группы ученых из компании Danisco (производителя йогуртов «Данон»), изучавших здоровье бактерий Streptococcus thermophilus, которые используются в кисломолочной закваске. Исследователи обнаружили, что способность стрептококков противостоять вирусной инфекции определяется странными фрагментами бактериального генома со сложным названием CRISPR.
Эти фрагменты были замечены еще в 2000 году, когда испанские биологи обратили внимание на загадочное скопление похожих друг на друга, повторяющихся последовательностей нуклеотидов в ДНК некоторых бактерий. Между ними, как в рамках, находились короткие участки уникальной ДНК. Эти расположенные регулярными группами палиндромные повторы и называются CRISPR, а вся генетическая конструкция — CRISPR-кассета. Вскоре обнаружилось, что главное содержимое CRISPR-кассет — уникальные последовательности ДНК — являются фрагментами вирусных генов, которые бактерии самостоятельно встраивают в свой геном. Появилась гипотеза о том, что CRISPR-кассета участвует в противовирусном иммунитете бактерии. Представьте себе компьютерный антивирус: у него есть база данных, в которой хранятся фрагменты вредоносных программ и с которой он сверяется, сканируя файлы. Представьте себе полицейского, который ищет преступника, сравнивая отпечатки его пальцев со снимками в картотеке. Тот же подход работает и с CRISPR-кассетами: это база данных вирусных генов. Она отражает «эволюционную память» бактерий о тех вирусах, с которыми ранее сталкивались их предки. Используя ее, клетка способна распознавать известные ей вирусы и запускать их уничтожение.
Участие CRISPR в работе бактериального иммунитета и подтвердили создатели йогуртов, а в 2012 году биологи установили, что «рабочей лошадкой» этого механизма выступает белок Cas9, фермент, который распознает ДНК вирусов и разрезает ее, полностью выводя из строя. Для этого Cas9 использует «шаблон», короткую направляющую молекулу РНК, которая считывается с последовательностей, сохраненных в CRISPR-кассете.
Семейная библиотека
Спейсеры — варьирующиеся фрагменты ДНК, заключенные между повторяющимися одинаковыми последовательностями CRISPR, — составляют «иммунологическую память» бактериальной клетки. Новые фрагменты добавляются обычно с одного конца CRISPR-кассеты, и один из повторов дублируется, сохраняя «рамки», между которыми помещаются спейсеры. Но в остальном все происходит довольно хаотически: встретившись с новым, незнакомым вирусом, зараженные бактерии пытаются лихорадочно резать любую чужую ДНК и вставлять случайные фрагменты в свой геном. Лишь избранным счастливчикам повезет, и у них CRISPR-кассета пополнится нужным участком вирусной ДНК. Однако он послужит основой для синтеза направляющей РНК и работы Cas-белков, поможет бактерии справиться с атакой — и будет передан по наследству. Такие «антивирусные библиотеки» накапливаются в бактериях поколениями и могут использоваться для идентификации штаммов и определения очага инфекции в эпидемиологии.
От йогурта до эмбриона
Появившаяся вскоре программная статья «РНК-программируемое редактирование генома клеток человека» открыла новую эпоху в генной инженерии. Оказалось, что белку Cas9 легко подсунуть новую, заранее спроектированную направляющую РНК, нацелив его на разрезание практически любой заданной последовательности ДНК. А уж если мы сумели делать точный разрез в строго определенном месте генома, то остается лишь вставить в него нужный ген.
Ничего лишнего для этого не понадобится: встраивание произведет сама клетка. Для нее появление разрывов в ДНК — серьезная опасность, поэтому за ее целостностью следит целая группа специальных белков, быстро устраняющих все повреждения. Можно подобрать условия так, чтобы клетка не просто «заклеила» дырку, а достроила ее некоторым предложенным ей геном. В результате за последние годы технологии CRISPR/Cas9 — а вместе с ними и вся генная инженерия — переживает бурный подъем, который можно сравнить разве что с первыми годами космонавтики. Метод с успехом используется для редактирования ДНК разнообразных организмов и продолжает быстро совершенствоваться.