Трещина в мироздании - Дженнифер Даудна

Какими бы невероятными ни казались возможности применения CRISPR в медицине, все же требуются еще годы для того, чтобы эта технология “доросла” до клинических испытаний. А пока в ее исследование вовлекалось все больше и больше коллективов, так как в мировом научном сообществе быстро распространялась информация, что редактирование генов в живых клетках теперь можно осуществить всего за несколько дней. Многие эксперты прогнозировали, что CRISPR станет воплощенной мечтой ученых-биологов и позволит проводить эксперименты, о которых раньше можно было только мечтать. Я представляла себе, что это сделает технологию более доступной и она перестанет быть привилегией меньшинства. До CRISPR редактирование генов требовало сложных протоколов проведения, колоссального уровня научных знаний и умений и существенных финансовых вливаний, а еще это удавалось сделать лишь на нескольких видах модельных организмов. А ко времени моего визита в Гарвард даже в тех лабораториях, где раньше не работали с редактированием генов, уже применяли CRISPR.

Времена, когда упоминание CRISPR на семинаре или научной конференции вызывало по большей части непонимающие взгляды, давно прошли. Теперь казалось, что CRISPR буквально у всех на устах и его упоминают в каждом разговоре. И тем не менее это было еще только верхушкой айсберга.

Сидя в самолете Бостон – Сан-Франциско на обратном пути из той первой поездки в Кембридж, я уже видела на горизонте новую эру генетического “управления войсками” – эру, в которой CRISPR преобразит арсенал инструментов биолога, позволив ученым переписывать геном буквально любым образом, каким они пожелают. Из неудобочитаемого документа, с трудом поддающегося переводу, геном станет таким же податливым, как фрагмент литературного произведения в руках умелого редактора. Представляя себе эти новые широкие возможности, я с трудом верила, насколько быстро развились события с момента первых успешных попыток Мартина и Кшиштофа запрограммировать CRISPR на нарезку ДНК в пробирке. А теперь научное сообщество оказалось в стремительно расширяющемся круге света – и для него открывались всё новые невероятные прозрения о том, как работает CRISPR и как однажды его станут использовать для улучшения здоровья человека.

В экспериментах, опубликованных в статье в Science 2012 года, Мартин и Кшиштоф продемонстрировали нечто совершенно новое: что ассоциированный с CRISPR белок под названием Cas9, изолированный из плотоядных бактерий, взаимодействует с двумя молекулами РНК для нацеливания на подходящие двадцатибуквенные последовательности ДНК и их разрезания. РНК играет роль проводника, указывая “GPS-координаты” для атаки, а Cas9 действует как орудие для уничтожения цели. У бактерий, инфицированных вирусом, аппарат CRISPR был мобилизован для разрезания и уничтожения определенных молекул ДНК вируса – это было частью адаптивного иммунного ответа.

Виргиниюс Шикшнис и его коллеги осенью 2012-го опубликовали статью, сходную с нашей[79]; она описывала функции белка Cas9, найденного в производящих йогурт бактериях, относящихся все к тому же роду стрептококков. Как и мы, литовские исследователи обнаружили, что Cas9 разрезает последовательности ДНК, “буквы” которых подходят к “буквам” РНК CRISPR. Но команда Шикшниса не смогла раскрыть важнейшую роль второй РНК (так называемой трансактивационной РНК, tracrRNA), которая, как удалось показать нам, была неотъемлемой частью реакции нацеливания на нужный участок ДНК и разрезания этой молекулы.

В своей статье мы максимально подробно описали молекулярные требования этой защитной системы и показали, насколько легко и просто можно настроить новые версии CRISPR для разрезания ДНК любым нужным образом. Мы сделали еще один шаг вперед и из направляющей РНК, состоящей у бактерий из двух отдельных молекул РНК (РНК CRISPR и трансактивационной РНК), сделали одну молекулу РНК-гида, тоже дающую Cas9 возможность находить и вырезать определенную последовательность ДНК. Мы также предположили, что эту систему защиты можно настроить на выполнение других функций в клетках – например, не на разрушение вирусной ДНК, а на прицельное редактирование ДНК самой клетки. Если мы поменяем двадцатибуквенный код РНК таким образом, чтобы он был комплементарен последовательности отдельно взятого человеческого гена, и затем введем Cas9 и новую направляющую РНК в клетки человека, CRISPR сделает хирургически точный разрез в гене-мишени, отметив это место как нуждающееся в репарации. Разрезав ДНК, CRISPR приведет клетку в полную боевую готовность, и она устранит внутри себя повреждения – но так, что мы сможем контролировать этот процесс.

Как мы предполагали, использование CRISPR в человеческих клетках подтвердит широту возможностей этого нового способа редактирования генов. И для этих предположений были веские причины. Наше собственное исследование показало, что белок Cas9 и его направляющая РНК очень избирательны и крепко связаны друг с другом, а это свидетельствует, что они без проблем найдут друг друга в человеческой клетке. А что касается отправки их в клеточное ядро, где расположена ДНК, то тут нам достаточно присвоить этим молекулам подходящий химический “адрес получателя”, и клетка сама сделает остальную работу за нас. До этого сотрудники многих лабораторий преуспели в переносе белков и молекул РНК от бактерий в клетки человека, и в нашем распоряжении было немало молекулярно-биологических инструментов, которые помогли бы CRISPR работать должным образом и за пределами его обычных мест обитания.

Нам оставалось только показать, что все работает именно так, как мы и предположили.

Мартин начал с переноса бактериальной ДНК, кодирующей Cas9, и синтезированной на основе информации от CRISPR РНК в две плазмиды – небольшие колечки ДНК, которые ведут себя как искусственные мини-хромосомы. Первая плазмида содержала генетические инструкции для направляющей РНК, а также отдельные инструкции для человеческих клеток, чтобы они тоже понемногу производили такие молекулы РНК. Во второй плазмиде находился ген cas9, но он был “гуманизирован”[80], чтобы его могли прочесть белок-синтезирующие аппараты человеческих клеток. Мартин также слил с геном cas9 еще два гена, часто используемых биологами: один, совсем небольшой, под названием клеточный сигнал ядерной локализации, направляющий белок в клеточное ядро, и ген зеленого флуоресцентного белка, благодаря которому каждая человеческая клетка, производящая белок Cas9, должна была засветиться зеленым, если на нее подействовать ультрафиолетом.

Соединив все эти молекулярные компоненты в единую систему, мы с Мартином намеревались превратить человеческие клетки в фабрики для производства CRISPR, которые, сами того не ведая, штампуют молекулы, запрограммированные на разрезание заданных частей собственного генома. И еще мы знали, что CRISPR не убьет человеческие клетки “шинкованием” ДНК, как он делает это с вирусами в бактериях, разрезая вирусную ДНК. ДНК человека (да и всех эукариотических организмов, если уж на то пошло) постоянно получает повреждения – например, это происходит, когда она подвергается воздействию канцерогенных веществ, ультрафиолета либо рентгеновского излучения. И чтобы приводить в порядок поврежденную ДНК, клетки разработали хитроумные системы репарации двуцепочечных разрывов в ней. Таким образом, в самом вероятном сценарии, если CRISPR вырежет нужный ген, клетка ответит на это просто “склеиванием” фрагментов молекулы ДНК обратно в единое целое, будто приварит одну металлическую трубу к другой. Ученые именуют этот процесс негомологичным соединением концов, ведь он, в отличие от гомологичного, не требует ДНК-шаблонов для починки молекулы. (Слово “гомологичный” происходит от греческого homologos, означающего “согласный с законом”.)