Человек редактированный, или Биомедицина будущего - Киселев Сергей Владимирович

Генетическая рекомбинация, или Поделись своим геномом

Бактериофаги, как и другие вирусы, имеют белковую капсулу, внутри которой содержится молекула ДНК или, реже, РНК. У них нет собственного обмена веществ, поэтому вне живой клетки они размножаться не могут.

Фаг проникает в бактерию, а дальше происходит нечто поразительное: его ДНК встраивается в геном бактерии. Для чего? Для того, чтобы генетический материал фага мог передаваться в ряду клеточных делений бактериальной клетки, пока не придет время его активации, которое определяется внешними факторами. В случае активации (это может произойти сразу после попадания вируса в клетку бактерии) генетическая информация с ДНК фага считывается бактериальными ферментами, то есть происходит транскрипция его собственной ДНК и синтезируются белки для сборки капсида (оболочки) вируса.

Далее наступает процесс сборки новых бактериофагов, после которого бактерия может погибнуть — лизироваться. Бактериальная стенка разрушается, и ее содержимое вытекает наружу, но теперь оно состоит из уже собранных фаговых частичек — размножение произошло. Кстати, именно свойство бактериофагов лизировать (растворять) определенные виды бактерий стоит запомнить — это пригодится, когда мы подойдем к теме редактирования генома.

Рис. 2. Генетическая рекомбинация. Вирусные частицы могут переносить генетический материал между различными клетками и организмами случайным образом

Ученые в своих экспериментах по перенесению бактериофагов с одних бактерий на другие, обладающие иными свойствами, обнаружили, что новые, вновь собранные частицы бактериофагов несут не только свой геном: они также могут захватывать какие-то фрагменты генетического текста бактерии — своего временного хозяина — и переносить этот генетический текст в другую бактерию, а могут и позабыть кусочек своей ДНК в геноме бактерии. Получается, что с помощью бактериофагов происходит обмен генетическим материалом, и это придает бактерии новые свойства.

Эксперимент, в котором был продемонстрирован такой обмен, поставил американский генетик и биохимик Джошуа Ледерберг в 1947 году. За открытие данного процесса, получившего название генетическая рекомбинация, то есть обмен генетическим материалом, в 1958 году ему была присуждена Нобелевская премия.

Процесс генетической рекомбинации между вирусами (неважно, бактериофагами или вирусами животных и человека) и клетками любых живых организмов универсален — принцип его остается неизменным.

Сегодня известно, что вирусы могут встраиваться в хромосому человека, состоящую из молекулы ДНК, потом вырезаться оттуда и встраиваться опять, но уже в другой район хромосомы. При этом вырезание и встраивание порой происходят неточно, в результате чего вирус может захватывать с собой и переносить отдельные участки генома, фрагменты генетической информации из одного места в другое.

Мы прекрасно знаем, что вирусы способны инфицировать людей, переходя от человека к человеку. Один чихнул — и вирус перелетел на другого. Это значит, что люди могут обмениваться фрагментами генетического текста просто в ходе обыденной жизни — за счет вирусов. Страшно, да?

На самом деле бояться особенно нечего по двум причинам. Во-первых, мы уже говорили в главе 1, что человек за жизнь накапливает миллионы мутаций. Передача чужого гена с вирусом — лишь один из примеров того, как эти изменения могут происходить. Однако возникает вопрос: не опасны ли они? Да, наверное, мутации, переданные вирусом, могут представлять опасность, но только в смысле возникновения вирусного заболевания, поскольку клетки взрослого организма имеют ограниченный срок жизни — они способны лишь к определенному количеству делений. Во-вторых, и это самое главное, — наш вирус, даже если он опасный, не попадет в клетки зародышевого пути, а значит, и изменения, которые он вызовет, не передадутся по наследству.

И все же полностью исключить такую возможность нельзя. Если вирус каким-то образом проникнет в оплодотворенную яйцеклетку и встроится в геном, то вызванные им изменения будут передаваться по наследству.

Пусть так, но существуют ли доказательства того, что эта гипотетическая возможность когда-либо реализуется?

За доказательствами далеко ходить не надо. Анализ генома млекопитающих показывает, что вирусы хорошо похозяйничали в клетках, в том числе клетках зародышевого пути, и многие изменения в них возникли как Раз из-за посещения их вирусами в процессе эволюции, геноме человека обнаружено исключительно большое количество древних вирусов; считается, что около трети генома человека представлено вирусной ДНК. Сегодня вирусам приписывают очень большую роль в эволюционном развитии жизни на Земле: именно они, по мнению многих биологов, стали одним из механизмов эволюции. Ее главным двигателем считается уже не только случайная мутация, которая происходит при репликации ДНК, но и активный перенос генетического материала с помощью вирусов посредством процесса генетической рекомбинации.

Но не только эволюцией мы обязаны вирусам. Вполне возможно, что от них в огромной степени зависит формирование и функционирование нервной системы человека. Ученые предполагают, что наша память, особенно длительная, может быть связана с «прыжками» элементов вирусных геномов в некоторые другие позиции нашего генетического текста, записанного в ДНК нейронов. Тем самым в геноме фиксируется произошедшее биологическое изменение: соседние гены могут начать работать по-другому, и это воспринимается нами как память о событии. Поскольку время жизни нейрона сравнимо со временем жизни всего организма (в данном случае человека), то это один из предполагаемых и возможных механизмов сохранения информации.

Таким образом, даже вопросы долговременной памяти связаны с генетикой, потому что ДНК — это главный долгожитель среди всех существующих в организме молекул. Время жизни РНК исчисляется несколькими часами: все время требуются новые молекулы, чтобы делать новые белки. Сами белки после выполнения своей работы тоже перерабатываются на новые белко-молекулы; среднее время их жизни — около суток. А руководит этим бесперебойным производством ДНК, именно эта молекула вместе со всей содержащейся ней информацией сохраняется на протяжении жизни организма.

Тут необходимо упомянуть затронувшую многих пандемию СОVID-19 и наличие антител после болезни или вакцинации. Память о столкновении организма с вирусом в результате инфицирования или прививки выражается в форме наличия в крови антител, доступных для тестирования. Но даже антитела, хотя это долгоживущие белковые молекулы, имеют период полураспада от двух до двадцати дней. Спрашивается, где же может сохраняться информация об антителе — специфическом белке против вируса, чтобы иммунитет к этому вирусу оставался у человека через месяцы и даже годы? Правильно, только в молекуле ДНК. Поэтому самым важным для защиты от инфекции является наличие клеточной памяти, то есть присутствие в организме лимфоцитов, в ДНК которых закодирована последовательность, позволяющая синтезировать соответствующие антитела в виде белка. О том, как это работает, мы поговорим чуть позже.

Бомба замедленного действия

Фрагменты генетического текста вирусов распределены по всему геному. Если вирусный фрагмент встроился в какой-то ген, работа последнего может принципиальным образом измениться. Выживет при этом данная особь или нет, зависит от того, насколько сильно нарушилась работа гена. Конечно, вероятность попадания вируса в полтора процента генома, то есть в те участки генетического текста, которые кодируют белки, во много раз меньше, чем в остальной генетический текст, но именно это событие может придать негативное значение слову «мутация». Соответствующий ген, скорее всего, не будет кодировать нужный белок — ведь его структура нарушена.