Взломать Дарвина: генная инженерия и будущее человечества - Джейми Метцль

бактерии и сталкивали их с одними и теми же вирусами, бактерии защищались от них все лучше и лучше. В результате, как и предсказывали Вирно и Болотин, у бактерий вырабатывался иммунитет к вирусам – точно так же, как мы после заболевания получаем иммунитет к ветрянке. Чтобы понять, откуда появились эти CRISPR и как они работали раньше, ученым пришлось заглянуть в древнюю историю зарождения микробной формы жизни на Земле.

И хотя битва между вирусами и бактериями велась уже давно, ученые практически ничего не знали о ней до тех пор, пока не появились новые инструменты секвенирования генома. Открытие CRISPR произошло на стыке секвенирования генома и аналитики больших данных. «Героями» CRISPR стали настоящие хакеры, сумевшими взломать генетический код защиты бактерий от вирусов.

CRISPR похожи на листовку самого разыскиваемого преступника из старых вестернов. Только бактерии сохраняют ее в своем генетическом коде после первого взаимодействия. После контакта с вирусом бактерии архивируют фрагменты вирусной ДНК в своем коде и создают своего рода генетические «ориентировки» на опасных вирусов.

Если вирус попадает в клеточный город, бактерия сразу отправляет РНК-зонд на поиски совпадения кода вирусной ДНК с сохраненным списком генетических мишеней из CRISPR. Найдя такое совпадение, бактерия активирует особый фермент для связывания участка кода вируса и разрыва вирусной ДНК в месте совпадения вирусного и бактериального кода. В ходе этой битвы вирусный агент разрезается на части, бактерия побеждает, а в ковбойском салоне снова играет музыка, и посетители возвращаются к карточным играм.

Но эта история не только о вирусах и бактериях. Поскольку сотни миллионов лет назад некоторые бактерии соединились с клетками практически всех форм жизни, генетический код, который когда-то возник в ходе непрекращающейся войны между вирусами и бактериями, реплицировался почти во все клетки жизненного спектра. CRISPR, как оказалось, стали ключом к редактированию кода всех форм жизни и к изменению самой биологической жизни в общеизвестном нам понимании. Ученые стали активно изучать науку о CRISPR, что привело к большому и стремительному успеху в понимании столь замечательного инструмента.

В 2010 году команда Сильвиана Муано показала, как система CRISPR-Cas9 (CRISPR-ассоциированный ген № 9) проводила двунитевые разрывы ДНК в точных и прогнозируемых участках. В следующем году Эммануэль Шарпантье выяснила, каким образом кусочки РНК двух разных типов направляют фермент Cas9 к своей мишени.

Год спустя, в 2012 году, Шарпантье со своей коллегой Дженнифер Даудна, биохимиком из Беркли, а также с Мартином Джинеком умело превратили систему CRISPR-Cas9 в точный инструмент, которым можно воспользоваться для разрыва любой цепочки ДНК. Кроме того, они выяснили, как использовать эту систему, чтобы добавлять дополнительную и новую ДНК. При разрыве цепочки ДНК пытается «склеить» это место и захватывает все доступные ДНК, которые исследователи помещают в место разреза. Так процесс редактирования геномов становится в разы проще, чем раньше. В следующем году Даудна, Шарпантье и Фэн Чжан, исследователь из Гарварда и Массачусетского технологического института, заявили, что CRISPR-Cas9 можно одновременного нацеливать на несколько мест в геноме человека.

Если попытаться выразить всю суть CRISPR в одном предложении, то мы получим следующее: системы CRISPR пользуются теми же крошечными «ножницами», которые используют бактерии, чтобы разрезать вирусных агентов; системы CRISPR вырезают генетический код в целевых участках (участках-мишенях) и добавляют в них новый. Основные характеристики CRISPR приведены в таблице на следующей странице.

Ценность системы CRISPR-Cas9 заключается в преимуществах перед старыми подходами к редактированию генов. ZFN и TALEN представляют собой специально разработанные системы, на настройку которых уходят месяцы. А технология CRISPR почти не изменяется, стоит сравнительно недорого, а ее настройка занимает не более нескольких дней. Но в системе CRISPR есть и свои недостатки. По сравнению с ZNF и TALEN, двунитевые разрывы ДНК с помощью CRISPR получаются более точными. Однако такой агрессивный разрез открывает дверь для еще большего количества нежелательных эффектов[128][129].

Источник: Business Insider.

Пока научный мир и популярные средства массовой информации восторгались CRISPR-Cas9, научные достижения явно указывали на то, что CRISPR-Cas9 был гораздо более универсальным, чем это казалось ранее, и что эта система станет не последним словом в редактировании генома, а ознаменует новое начало.

Современная система CRISPR перестала быть аналогом обычных ножниц. Теперь она скорее похожа на функциональный швейцарский нож, который может записывать генетические изменения в клетке с течением времени, идентифицировать конкретные штаммы вируса, проверять на инфекции, перестраивать геном в пространстве и выполнять ряд других функций[130]. В рамках другого метода, открытого Фэном Чжаном из Института Брода, CRISPR будут объединять с другим ферментом, Cas13, чтобы редактировать иРНК. Это позволит более точно определять место разрывов и изменений в геноме.

Кроме того, ученые научились пользоваться CRISPR, чтобы не только редактировать гены, но и изменять эпигенетические метки, определяющие экспрессию генов[131]. Хотя ранние критики редактирования генома человека правильно заметили, что эпигенетическое влияние на экспрессию генов значительно усложнило весь процесс редактирования генов, последние открытия показали: эпигенетическое редактирование «находится на границе самовольного перепрограммирования экспрессии генов»[132]. Скорость изменений в редактировании генов увеличивается, процесс удешевляется и становится более точным. И по мере этого глобальное сообщество ученых начинает обмениваться идеями с такой скоростью и в таких масштабах, которые не мог себе представить не только живший в относительном уединении монах Грегор Мендель, но и наисветлейшие умы человечества, жившие всего лишь десятилетие назад.

Поэтапный переход от простейших экспериментов и использования технологий на растениях и животных к масштабному применению CRISPR на человеке уже начался.

Первый этап нормализации точного редактирования генов заключается в использовании всех этих инструментов для развития фундаментальных исследований. Одним из ранних и самых больших преимуществ CRISPR-Cas9 является его способность нацеливаться на определенные последовательности ДНК и изолировать их для изучения. «Молекулярные ножницы» фермента Cas9 позволяют быстро, просто и дешево разрезать последовательности ДНК, что помогает ученым изучать влияние аномального гена на клетки и организмы. Это крайне важно для научных исследований, которые все чаще проводятся на растениях, лабораторных и сельскохозяйственных животных, а также на людях.

Например, фитопатолог из Университета штата Пенсильвания использовал CRISPR для выявления целого семейства генов, кодирующих полифенолоксидазу (фермент, катализирующий окисление)[133]. Генно-модифицированное яблоко Arctic не потемнеет, даже если его нарезать и оставить лежать на тарелке. Все благодаря тому, что с помощью CRISPR ученые приглушили ген, отвечающий за выработку фермента, который отвечает за потемнение[134]. Геном вирусоустойчивой папайи Rainbow был также модифицирован, чтобы противостоять опасному вирусу кольцевой пятнистости. Такая папайя уже продается в супермаркетах, равно как и нечернеющий картофель Innate Del Monte получил разрешение на генную модификацию розового ананаса, чтобы в