Человек редактированный, или Биомедицина будущего - Киселев Сергей Владимирович

Легко сказать «вставить правильный фрагмент (страницу)», но эта задача представляется абсолютно невыполнимой, если мы вспомним, что в нашем организме ни много ни мало сто триллионов клеток, и в каждой имеется генетический текст объемом в три гигабайта.

К счастью, делать это во всех клетках организма не приходится. Во-первых, можно ограничиться только теми из них, которые из-за мутации какого-то гена отвечают за нарушенную функцию определенных тканей. А во-вторых, порой достаточно внести исправления в генетический аппарат только части этих клеток, чтобы человек уже мог полноценно жить.

В этой главе мы разбирали лечение с помощью генной терапии тяжелого комбинированного иммунодефицита, когда в кроветворных стволовых клетках имеется мутация, приводящая к тому, что организм полностью лишен иммунитета. Если мы добавляем нормальную копию гена в часть стволовых кроветворных клеток, этого часто оказывается достаточно, чтобы восстановилась их функция (в данном случае иммунитет). Получается, что фактически мы не лечим поврежденный ген (он никуда не исчезает, до него ученые пока не могут добраться), а просто дополняем часть клеток организма нормальным геном.

К сожалению, есть заболевания, при которых эта тактика не подходит. Вспомним, что у нас в каждой клетке (кроме половых) имеется двойной набор хромосом, а значит, и два различающихся генома — от мамы и от папы. Предположим, что есть мутация в мамином аллеле[7] какого-то гена, но приводит она не к тому, что этот ген совсем не работает, а к тому, что он работает неправильно — синтезируется измененный белок. И даже если со второго аллеля у нас продуцируется правильный белок, наличие неправильного может привести к гибели клеток и деградации ткани, а без нее организм не может нормально функционировать.

Получается, что возможны ситуации, когда добавление еще одного здорового аллеля в клетку не приведет к излечению. А что приведет? Тут мы и приходим к пониманию, что умения работать с генетическим текстом целыми страницами или параграфами явно недостаточно. В данном случае в тех клетках, где нам нужна рабочая, функционирующая копия конкретного гена, необходимо исправить очень точно, побуквенно, генетическую мутацию, то есть именно тот нарушенный фрагмент генетического текста, который имеется в мамином аллеле. И только в этом случае мы сумеем устранить заболевание.

Но как это сделать? Как можно внутри клетки, среди трех миллиардов букв генетического текста правильно найти несколько нужных букв (обычно две-три), да еще их исправить? Воистину это задача, по сложности достойная человека, и она волновала ученых уже давно. Ведь речь идет о том, чтобы исправлять буквы генетического текста не в пробирке, как это делалось на заре генной инженерии, а в живой клетке! Даже в генной терапии, то есть на следующем, более высоком уровне, ученые пытаются работать с генами в клетке, но, увы, не могут найти одиночные буквы, а вклеивают в генетическую книгу целые листы, прочтение которых приведет к нормализации работы организма.

Новая задача генетики теперь выглядит так: суметь в каждой из 1014 клеток организма найти и обезвредить одну из 3 х 109 букв.

Геномное редактирование

Исправляем букву за буквой

Итак, в начале 1990-х годов перед специалистами в области генетики и биохимии со всей остротой встала задача побуквенного редактирования генетического текста. Обычные помощники редактора — цветная ручка и программа Word — здесь бесполезны, ведь генетический текст представляет собой цепочку повторяющихся химических молекул — нуклеотидов, которые служат буквами этого текста. Требовалось создание принципиально новых инструментов, позволяющих работать с генетическим текстом с очень большой точностью, на уровне отдельных букв, то есть нуклеотидов, — что-то вырезать, что-то вставлять, и при этом очень точно и в живой клетке. Неправильная замена всего лишь одного нуклеотида может привести к остановке работы гена и гибели клетки.

Первые такие инструменты и появились в 1990-х годах (помните, в главе 2 мы начали рассказ о Джошуа Ледерберге и генетической рекомбинации). Для того, чтобы заменить букву или несколько букв генетического текста нам надо провести рекомбинацию, — только так в клетке может произойти замена. А для того, чтобы она произошла именно в нужном нам месте, необходимо внести разрыв в цепь ДНК. Для этого использовались особые ферменты — нуклеазы. Кроме того, какой-то механизм должен их направить в нужное место и точно распознать именно ту последовательность нуклеотидов (назовем ее «генетическим словом»), в которой нам нужен разрыв.

Для этого стали использовать так называемые мегануклеазы. Это крупные белковые молекулы, которые, кроме нуклеазной активности, характеризуются протяженным «генетическим словом», или, как говорят ученые, сайтом, который они распознают. Обычно это «слово» состоит из пятнадцати-сорока нуклеотидов. Такие длинные слова уникальны для геномов. Например, одна из первых мегануклеаз, I-Ssel, распознает определенную последовательность из восемнадцати нуклеотидов, и такое их сочетание случается настолько редко, что может встретиться в генетическом тексте, только если он в двадцать с лишним раз больше генома человека. Недостатками мегануклеаз являлись незначительное количество распознаваемых «генетических слов» и их размер (мега!), то есть протяженность сайта распознавания. Все это осложняло проведение экспериментальных работ с ними.

Первый значимый прорыв в направленном распознавании генетического текста внутри клетки произошел в начале XXJ века. Тогда придумали искусственные распознающие нуклеазы, которые получили название нуклеазы типа цинковых пальцев (zinc-finger nucleases). Наиболее интересен данный тип нуклеаз с точки зрения творческого, дизайнерского подхода человека к использованию фундаментальных знаний, поэтому далее мы уделим им немного больше внимания, а заодно узнаем об очень важных генах.

Транскрипционные факторы

Мы уже говорили в главе 1, что в изученную часть ДНК человека, помимо самих генов, кодирующих белки, входят регуляторные последовательности — фрагменты ДНК, ответственные за работу гена. С химической точки зрения это такие же участки ДНК, как и гены, поскольку тоже составлены из четырех чередующихся в определенной последовательности нуклеотидов А, Т, Г и Ц. Как же эти участки ДНК могут регулировать работу гена?

Информация обо всех процессах в клетке записана в последовательности ДНК. Чтобы считать информацию с флешки, ее надо вставить в компьютер. Другим видом накопителя информации является стример. Он записывает информацию на магнитную ленту и используется в больших дата-центрах. Именно стримерам принадлежит рекорд по плотности записи информации на единицу площади. А принципиальное устройство стримера очень простое. Может, кто-то помнит или видел катушечный магнитофон: там две катушки, с одной лента сматывается, на другую наматывается, а посередине магнитная головка, которая касается ленты и считывает информацию, превращая ее в звук. Информация с ДНК — «магнитной ленты» — считывается такой же биологической «головкой». Этот «звукосниматель», который «озвучивает» ген, то есть делает его простую копию для преобразования в белок, называется транскрипционным комплексом, а процесс «озвучки» — транскрипцией. Транскрипционный комплекс собирается из нескольких белковых молекул, очень важно, чтобы он собрался в правильном месте, то есть выбрал правильный генетический текст для озвучки. За это отвечают так называемые транскрипционные факторы — белковые молекулы, которые узнают определенные комбинации «слов» (последовательностей нуклеотидов), носящих название промоторы.

И транскрипционные факторы, и промоторы эволюционно изменились очень мало, о чем свидетельствует их поразительное сходство у совершенно различных биологических видов, от плодовой мушки дрозофилы до человека. Это доказывает, что транскрипционные факторы были очень значимы в эволюции живых существ и, как мы теперь понимаем, играют огромную роль в функционировании наших генов.