Кевин Дейвис
Редактируя человечество: Революция CRISPR и новая эра изменения генома
Несколько научных групп, преимущественно из Китая, сообщили о проведении экспериментов на эмбрионах человека без последующей имплантации этих модифицированных эмбрионов. Но молодой китайский ученый, который пять лет проходил стажировку в США, осмелился сделать следующий злосчастный шаг. Хэ Цзянькуй предположил, что его новаторская работа будет по достоинству оценена на родине и за рубежом, результаты будут опубликованы в ведущем мировом журнале, что поставит его в один ряд с его героем – лауреатом Нобелевской премии Робертом Эдвардсом, соавтором изобретения метода ЭКО.
Однако не последовало ни признания, ни одобрения, ни статьи в Nature. Вместо этого были возмущение и яростное, почти всеобщее осуждение. Работа была небрежной, безответственной, опрометчивой, неэтичной и, пожалуй, преступной, поставившей серьезные вопросы о здоровье двух детей. Карьера Хэ Цзянькуя рухнула в одно мгновение: он был помещен под домашний арест, уволен из университета и в конечном итоге приговорен к трем годам тюрьмы. Эта история не напугала генетика из России, и он объявил о своем намерении взять дело в свои руки и использовать редактирование генов методом CRISPR, чтобы помочь парам с наследственной глухотой. «Мы продолжаем приближаться к крайней черте, и, по сути, ее не существует», – заявил научный журналист Регаладо[46].
Директор Национального института здравоохранения Фрэнсис Коллинз выступает категорически против любых попыток вмешательства в ДНК эмбрионов человека. «Эволюция работала над оптимизацией генома человека на протяжении почти четырех миллиардов лет. Неужели мы действительно думаем, что небольшая группа умельцев в области генома человека может добиться лучших результатов без всяких непредвиденных последствий?» – говорит он[47]. Многие ведущие ученые призвали ввести временный мораторий, чтобы дать специалистам и другим заинтересованным сторонам время обдумать основания и обстоятельства, при которых может быть одобрено редактирование зародышевой линии[48]. Однако другие исследователи не видят никакой опасности в перспективе наследуемого редактирования генома. Джордж Чёрч из Гарвардского университета, ветеран геномной инженерии, сохраняет непредвзятое отношение к этому вопросу. «Я не думаю, что голубые глаза и [дополнительные] 15 баллов IQ действительно представляют угрозу здоровью населения, – сказал он в интервью британской газете. – И не считаю это опасным для нашей морали»[49].
Великий физик Стивен Хокинг в своей последней книге предсказал наше приближение к эре того, что он назвал самостоятельной эволюцией. «Мы сможем изменять и улучшать нашу ДНК, – писал Хокинг. – Мы расшифровали ДНК, и это означает, что мы прочитали "книгу жизни" и теперь можем приступать к внесению исправлений»[50]. Тем не менее для Хокинга опасный путь не ограничивался лечением разрушительных заболеваний, таких как его собственная болезнь – медленно прогрессирующая форма бокового амиотрофического склероза. Хокинг верил в то, что ученые будут использовать технологии, подобные CRISPR, для изменения и улучшения таких качеств, как интеллект, память и долголетие, – даже нарушая закон, если это понадобится. Такой способ создания «сверхлюдей» будет доступен лишь для богатой элиты, что приведет к конфликту с обычными людьми. Хокинг продолжает:
Как только появятся эти сверхлюди, возникнут серьезные политические проблемы с неулучшенными людьми, которые не выдержат конкуренции. Можно предположить, что они вымрут или потеряют всякое значение. Вместо этого будет раса саморазработанных существ, которые будут улучшать себя со все возрастающей скоростью.
Сразу возникло опасение, что гнусные действия одного ученого могут помешать существенному прогрессу в использовании CRISPR и других методов редактирования в генной терапии у детей и взрослых. Когда я разговаривал с друзьями и учеными в аудитории, я слышал, как один из выдающихся специалистов редактирования генома высказывал многочисленные опасения по поводу CRISPR-младенцев, считая их «угрозой» будущего терапевтического редактирования генома.
К счастью, эти страхи пока не подтвердились. Несмотря на то что эта область науки только начинает развиваться, она подает надежды клинического применения для пациентов с онкологией, заболеваниями крови, наследственными формами слепоты и многими другими болезнями. По словам Федора Урнова, мы снимаем страховочные колесики с велосипеда. «Мир увидит, что CRISPR способен действительно принести пользу»[51].
Глава 2
На голову выше
26 июня 2000 г. президент Билл Клинтон вошел в Восточную комнату Белого дома в сопровождении двух известных ученых, Фрэнсиса Коллинза и Крейга Вентера. Клинтон объявил о важной вехе проекта «Геном человека» – получении чернового наброска последовательности генома человека, «книги жизни». Спутниковая трансляция с Даунинг-стрит, 10 показывала сияющее лицо премьер-министра Великобритании Тони Блэра, размахивавшего флагом в честь британских членов научной группы, внесших свою лепту в расшифровку около трети генома.
В течение двух лет две команды ученых, напоминавшие по численности небольшие армии, работали, соревнуясь друг с другом, для достижения этой грандиозной цели. В одном углу ринга был Коллинз, фельдмаршал финансируемого государством международного альянса по расшифровке ДНК человека. Приз представлял собой карту сокровищ человеческого генома с последовательностью из 3 млрд букв ДНК-алфавита (четырехбуквенный код химических соединений, сокращенно А (A), Ц (С), Т (T), Г (G)), объединенных в двадцать три пары хромосом.
В противоположном углу ринга находился Вентер, ученый и предприниматель, который нагло начал враждебный захват проекта «Геном человека». Он поделился своими планами с Коллинзом в зале ожидания United Airlines в вашингтонском аэропорту имени Даллеса, а затем со всем миром на обложке The New York Times. Его новая компания Celera Genomics пообещала пробиться через многолетнюю правительственную неэффективность и бюрократию, чтобы сформировать последовательность быстрее и дешевле, используя целый ряд новейших секвенаторов, названных в честь научно-фантастических персонажей, а также мощный суперкомпьютер Compaq для обработки данных. В качестве утешительного приза Вентер предложил Коллинзу провести секвенирование генома мыши. Почти в мгновение ока ситуация изменилась: «Дарт Вейдер» из компании Вентера получил арсенал и преимущество, в то время как Коллинз и его союзники превратились в отважных повстанцев, загнанных в угол.
Когда публичные споры между группами переросли в явную вражду, возникла угроза запятнать репутацию руководителей проекта, не говоря уже о цели миссии. Белый дом поспособствовал временному перемирию, чтобы провести историческое празднование[52]. Клинтон назвал достижение генетиков «самой важной и самой удивительной картой, когда-либо созданной человечеством… Это язык, на котором Бог создал жизнь». Фраза «ученые расшифровали генетический код человечества» стала заголовком на первой полосе The New York Times[53].
Однако кто же был обладателем этого взломанного кода? Представители Национального института здравоохранения собрали образцы ДНК у десятков анонимных добровольцев, которые вызвались участвовать в проекте в ответ на объявление, опубликованное в марте 1997 г. в газете The Buffalo News молекулярным генетиком Питером де Йонгом (в проекте возглавлял направление по созданию библиотек ДНК). Спустя годы генетический анализ показал, что участник с кодовым названием RP11, внесший наибольший вклад, скорее всего, был афроамериканцем[54]. Как и любой другой человек, RP11 и другие доноры ДНК были мутантами, геном которых содержал сотни или тысячи вариантов ДНК, предрасположенных к развитию редких и распространенных заболеваний, включая сахарный диабет первого типа и гипертонию[55]. Celera взяла образцы ДНК у пяти добровольцев разного этнического происхождения. Позже Вентер признался, что одним из них был он сам.
Прочесть книгу жизни – даже если еще многих страниц в ней не хватало, они были вырваны или располагались не в том порядке – было грандиозным достижением. Для биологии это означало почти то же самое, что и полет на Луну, то есть крупнейшее событие после того, как Крик и Уотсон открыли двойную спираль в 1953 г. Мы стали первым видом, который перевел свою инструкцию по эксплуатации на язык, понятный человечеству, несмотря на то что мы еще плохо знаем, как этой инструкцией пользоваться. Главы учебников, в которых заявлялось, что организм человека содержит более 100 000 генов, были признаны устаревшими, поскольку нам пришлось скромно признать, что геном состоит лишь из 20 000 генов.
Одним из самых влиятельных защитников проекта «Геном человека» выступил сэр Джон Мэддокс, почетный редактор журнала Nature. В 1999 г. Мэддокс взял на себя смелость опубликовать книгу под названием «Что нам предстоит открыть» (What Remains to Be Discovered). Он писал:
Вполне вероятно, что глубокие знания о работе генома человека, которые сейчас удалось получить, укажут на способ, которым можно значительно улучшить с помощью генетических манипуляций дизайн Homo sapiens, разработанный за 4,5 млн лет путем естественного отбора. В конце концов, сегодня люди воздействуют на структуру генов, чтобы сделать растения устойчивыми к инфекциям. Почему бы не поступать так же с геномом человека с той же целью? Разумно предположить, что когда-нибудь Homo sapiens воспользуются этими возможностями[56].
Когда он это писал, группа ученых вдали от телекамер и торжественных президентских мероприятий предпринимала первые шаги к разработке новой технологии: с ее помощью можно будет изменять код, на расшифровку которого за десятилетие мы уже потратили $2 млрд. Это было начало эры редактирования генома.
Редактирование – важный этап создания произведений литературы, музыки или искусства. Судьба многих блокбастеров могла бы стать совсем другой, если бы продюсеры использовали их первоначальные названия. Фильм «Чужой» собирались назвать «Звездный зверь», «Назад в будущее» уже почти выпустили под названием «Космический пришелец с Плутона», а рабочим названием фильма «Красотка» было «3000». Книга Джейн Остин «Первые впечатления» стала романом «Гордость и предубеждение». Маргарет Митчелл изначально назвала свою героиню Скарлетт совсем иначе – Панси. «Редактирование литературного или генетического текста (практически) всегда делает его лучше», – пишет Федор Урнов[57].
Пока я наблюдал за быстрым развитием в области высокопроизводительного секвенирования ДНК в 2000-х гг., ученые корпели над созданием молекулярной системы обработки текстов, чтобы редактировать книгу жизни – искать, вырезать и вставлять слова и буквы, выявлять опечатки, удалять орфографические ошибки и вносить исправления. Через десять лет после провозглашения себя первым видом, расшифровавшим свой генетический текст, мы уже проверяли наши возможности вносить изменения в любой организм по своему желанию. Если довести это до логического завершения, мы сможем изменить направление и ускорить нашу собственную эволюцию и эволюцию почти каждого организма на Земле.
«Такова природа открытия», – говорит генетик Ширли Тилман, бывший президент Принстонского университета. Результаты каждого крупного научного открытия могут быть использованы как во благо, так и во вред. «От общества потребуется мудрость, чтобы направить эти открытия по верному пути»[58]. Быстрое развитие редактирования генома – это серьезная, беспрецедентная и в некотором смысле пугающая ответственность. И мы уже не справились с ней.
Прежде чем идти дальше, давайте рассмотрим, что особенного в этой революционной технологии со смешной аббревиатурой, которая звучит как нечто среднее между названием шоколадного батончика и ящиком холодильника. Пытаясь описать CRISPR, авторы прибегали то к одной метафоре, то к другой: десница Божья, команда по обезвреживанию бомб, ластик, скальпель хирурга, сканер сетчатки глаза и часто «молекулярные ножницы»[59]. STAT составил список из десяти понятий, с которыми можно сравнить CRISPR, который завершался так: «Швейцарский армейский нож молекулярной биологии». Подобно ему, CRISPR – это больше, чем просто острое лезвие для разрезания ДНК. Это постоянно расширяющийся набор молекулярных инструментов для редактирования и управления ДНК с еще большей точностью и универсальностью.
CRISPR – одно из тех достижений, которые случаются раз в 20 лет и практически мгновенно меняют процессы проведения научных исследований. По иронии судьбы технология бактериальной противовирусной иммунной системы распространилась, подобно вирусу. Однако это не было первой технологией редактирования генома. Более ранние методы редактирования генов были разработаны (в начале 2000-х), затем усовершенствованы и даже вошли в клиническую практику еще до появления CRISPR. Урнов с коллегами из компании Sangamo придумали термин «редактирование генома» в 2005 г., когда занимались усовершенствованием технологии ZFNs (нуклеаза типа цинковых пальцев), которая до сих пор используется в клинической практике. В 2011 г., за год до того, как CRISPR ворвался в науку, журнал Nature Methods объявил редактирование генома «методом года». У ZFNs и другой технологии редактирования генов, TALENs, есть свои поклонники, но это слишком хлопотные и дорогостоящие методы, чтобы превзойти CRISPR по скорости внедрения.
CRISPR использует основу других форм редактирования генома и (говоря языком группы Spinal Tap) поднимает их на новую высоту. От Австралии до Заира исследователи во всем мире используют CRISPR для редактирования генов практически любых организмов планеты Земля. Быстрота распространения связана с тем, что CRISPR, по сути – технология, доведенная за сотни лет эволюцией до совершенства. CRISPR не требует дорогого оборудования, такого, например, как современные секвенаторы по цене в $1 млн, – большинство реагентов можно заказать через интернет и использовать в лаборатории без каких-либо специальных мер безопасности, как это и продемонстрировал Чжан в программе «60 минут». Старшеклассники могут изучить основы CRISPR на уроках биологии[60]. Некоммерческая организация по коллекционированию генетических конструкций Addgene в Бостоне служит клиринговым центром реагентов для CRISPR. По словам директора Джоанн Каменс, к началу 2020 г. Addgene распространила более 180 000 генетических конструкций, содержащих CRISPR, в более чем 4000 лабораторий по всей миру[61].
Летом 2012 г. группы Шарпантье и Дудны продемонстрировали, что они могут взять бактериальную систему CRISPR и с некоторыми изящными молекулярными доработками превратить ее в точно настраиваемый генетический «курсор», который можно использовать для отрезания конкретного участка ДНК большей или меньшей длины. Родольф Баррангу, главный редактор The CRISPR Journal, называет это исследование переломным моментом, который показал, что «эту крутую, своеобразную революционную иммунную систему бактерий можно перепрофилировать и превратить в инструмент, который люди будут легко использовать в лаборатории для разрезания ДНК»[62]. Через полгода группа Чжана в сотрудничестве с Лучано Марраффини из Университета Рокфеллера и независимой группой Джорджа Чёрча продемонстрировала, что инструмент CRISPR-Cas9 может успешно редактировать ДНК в клетках млекопитающих. «Это изменило мир», – говорит Баррангу.
Действительно, исследователи всего мира воспользовались этим простым программируемым инструментом редактирования генов и сделали новые открытия, которые попали на страницы ведущих научных и медицинских журналов. Профессор права Стэнфордского университета Хэнк Грили проводит удачную аналогию: «Модель T[63] была дешевой и надежной, и вскоре уже у всех появилась машина, и мир изменился. CRISPR сделал редактирование генов недорогим, простым и доступным… Думаю, это также изменит мир, – говорит он. – И это меня поражает»[64].
Между двумя футбольными клубами Буэнос-Айреса – «Ривер Плейтом» и «Бока Хуниорсом» – идет, как известно, вечное непримиримое соперничество. Однако существует противоборство, которое формировало жизнь на Земле с самого начала, и оно продолжается по сей день. Основная гонка вооружений на планете происходит между двумя непримиримыми врагами, ядерными сверхдержавами микробиологического мира – бактериями и вирусами (или бактериофагами), стремящимися уничтожить друг друга. Эта война длится вечность, по крайней мере не меньше миллиарда лет.
Еще до пандемии COVID-19 мы знали, что вирусы – это невидимая опасность, предвестники болезней и смертей. В своем известном высказывании лауреат Нобелевской премии Джошуа Ледерберг утверждал, что «самая серьезная угроза дальнейшему господству человека на планете – это вирусы». Помимо социального дистанцирования и некоторого естественного иммунитета, у человечества в арсенале мер противодействия имеются также вакцинация и множество специализированных или перепрофилированных методов лечения, а кроме того – препаратов. Угроза никогда не исчезнет, поскольку вирусы способны мутировать, развиваться, захватывать генетический материал своих хозяев и постоянно перерождаться.
Бактерии хорошо нас понимают. Они постоянно сталкиваются с атаками со стороны бактериофагов – вирусов, которые заражают исключительно бактерии. На планете Земля существует непостижимое количество бактериофагов (10 нониллионов (10-10)!), то есть по одному триллиону на каждую песчинку[65]. «Не спрашивайте меня, как люди получают это число, но я им верю», – говорит Марраффини[66]. Если расположить эти субмикроскопические фаги вплотную друг к другу, эта цепочка растянется на 200 млн световых лет[67]. Под электронным микроскопом многие из них выглядят довольно угрожающе, напоминая нечто среднее между лунным посадочным модулем и пауком, лапы которого растопырены, чтобы зацепиться за поверхность клетки. Другие обладают невинным очарованием круглого леденца на палочке с длинным хвостом. После присоединения вирус вводит в бактериальную клетку свой собственный генетический материал, короткую цепочку ДНК или ее двоюродную химическую сестру, РНК, используя механизмы синтеза белка бактериальной клетки. За 20–30 минут десятки и сотни заново скомпонованных вирусных потомков вырываются из уже погибшей клетки, подобно полчищу Чужих, вырвавшихся из живота Джона Хёрта. «Клетки взрываются, они лопаются, как воздушные шары», – говорит Марраффини.
Окруженные потенциальными фаговыми захватчиками, бактерии развили множество защитных систем, чтобы отслеживать и уничтожать эту угрозу. Когда я изучал биохимию в 1980-х гг., нам рассказывали, что бактерии обладают целой армией нуклеаз – высокоактивных ферментов, которые распознают и атакуют определенные мотивы чужеродной ДНК. (Последовательности ДНК самих бактерий защищены от этих нуклеаз химическими метками, подобно тому как розетки закрыты от детей специальными крышками). Ученые использовали эти ферменты ограничения как средство для разрезания, обмена или «сшивания» (лигирования) фрагментов ДНК, например помещая гены человека в ДНК бактерии, что положило начало развитию отрасли биотехнологии. Но, как мы убедимся далее, теперь мы знаем, что бактерии обладают еще и другой иммунной системой. CRISPR – это небольшой участок бактериального генома, который содержит фрагменты захваченного вирусного генома для дальнейшего использования, причем каждый такой фрагмент (или спейсер) отделен от другого одинаковыми повторяющимися палиндромными последовательностями ДНК. Представьте себе это как картотеку ФБР, в которой хранятся данные о разыскиваемых преступниках.
CRISPR – это больше, чем просто хранилище вирусных злодеяний. Совсем рядом находится арсенал мощной системы противоракетной обороны «земля – воздух». Когда клетка обнаруживает вторгшийся вирус, первым делом активируется система CRISPR, производящая копии РНК заархивированных вирусных последовательностей. Эта цепочка РНК затем разрезается на отдельные фрагменты, каждый из которых соответствует тому или иному вирусу и служит в качестве наброска внешности возможного преступника, сделанного полицейским художником. Сама по себе РНК не может причинить никакого вреда, поэтому она превращается в оружие путем связывания с ферментом, расщепляющим ДНК, называемым Cas (от англ. CRISPR-associated sequence – «последовательность, связанная с CRISPR»), образуя рибонуклеопротеиновый комплекс, оснащенный сигналом GPS и готовый к бою.
В микроскопической вселенной существует полдюжины разновидностей или типов систем CRISPR, которые делятся на два класса в зависимости от их строения и свойств[68]. Одна из простейших структур – тип II – содержит фермент Cas9. Эта нуклеаза, подобно кусачкам для проводов, добивается полноценного разрыва обеих цепей ДНК, но делает это избирательно. Она захватывает крРНК и держит ее как фотоснимок преступника – и ищет совпадения в вирусной ДНК. При обнаружении необходимого участка Cas9 и крРНК «защелкиваются» на ДНК и разрезают ее, нейтрализуя угрозу. «Cas9 поистине творит чудеса, – объясняет Урнов. – Когда она охраняет внутриклеточное пространство от вторжений, она буквально носит с собой копию объявления о разыскиваемом преступнике, спрашивая каждого: "Извините, ведь вы – точная копия разыскиваемого преступника, не правда ли? Тогда я вас порежу"»[69].
Фаги и каскад реакций CRISPR. (А) Замечен в момент совершения преступления: фаги садятся на поверхность клетки E. coli (кишечной палочки), чтобы совершить нападение. (Б) CRISPR-Cas-иммунитет. 1. Бактерия захватывает фрагменты вирусной ДНК и включает эти фрагменты как спейсеры в расширяющийся блок последовательностей CRISPR. 2. Для борьбы с фаговой инфекцией массив CRISPR транскрибируется в РНК, которая называется (пре-крРНК), а затем преобразуется в зрелые крРНК. 3. На стадии противодействия крРНК и Cas белок(и) образуют комплекс, который разрушает распознанные фаговые последовательности. Некоторые системы CRISPR (класс 1) содержат несколько белков Cas (как показано на рисунке), в то время как более простой системе класса 2 требуется одна нуклеаза – Cas9 (по материалам пункта 15 примечаний)
Описанные системы CRISPR. Существует несколько разновидностей систем CRISPR, которые делятся на два класса – класс 1 и класс 2. В классе 1 расщепление ДНК осуществляется комплексом белков, иногда называемых каскадом от слова Cas. В классе 2 системы CRISPR содержат одну нуклеазу Cas, такую как Cas9, Cas12 или Cas13. (Подробнее см. пункт 15 примечаний.)
Марраффини показывает, как две бактериальные системы защиты дополняют друг друга. Рестриктазы создают первый барьер защиты от вирусной угрозы, дробя вирусную ДНК на части, которые могут быть включены в массив CRISPR. Однако, если фаги, когда-либо эволюционировавшие, уклоняются от первой линии защиты, срабатывает иммунизация CRISPR. «Это аналогично вакцинации, – говорит Марраффини. – Когда ДНК фагов мертва, CRISPR может собрать спейсеры для формирования иммунитета у бактерии». Лишь немногие инфицированные вирусом бактерии действительно приобретают спейсеры – примерно 1 на 1 млн, но это дает одной клетке возможность устранить вирусную угрозу и восстановить популяцию[70].
В документальном фильме Адама Болта «Природа человека» (Human Nature, 2019) мы знакомимся с Дэвидом Санчесом, очаровательным мальчиком, страдающим от серповидноклеточной анемии. Узнав о возможностях CRISPR в лечении его болезни, он проницательно спрашивает: «Как эта штука работает и откуда она знает, как воздействовать на нужный ген, а не на тот, что отвечает за рост волос?»
Гениальность революции CRISPR заключалась в том, чтобы привязать Cas9 не к вирусной РНК, как в природе, а к синтетически разработанной РНК, запрограммированной исследователями, которая позволяет им воздействовать практически на любую последовательность ДНК любого гена любого организма. В результате у нас в руках оказался бактериальный фермент, существующий миллиард лет, и мы перепрофилировали его в молекулярный скальпель точной генной хирургии XXI в. Независимо от того, чей геном мы хотим отредактировать: хомяка или человека, комара или мыши, красной смородины или красного дерева, – процесс остается по сути одним и тем же. Это связано с тем, что все организмы в природе используют один и тот же универсальный код ДНК, состоящий из одного и того же четырехбуквенного алфавита.
В своем естественном состоянии Cas9 не интересуется ДНК, в основном случайно сталкиваясь и отскакивая от нее. Но как только Cas9, имеющая форму ладони, захватывает направляющую РНК, точная реконфигурация структуры белка заставляет ее взаимодействовать с ДНК в поисках подходящей мишени. По словам Блейка Виденхефта, профессора Университета штата Монтана, белковые комплексы Cas «патрулируют все внутриклеточное пространство, находят чужеродную [вирусную] ДНК, связываются с ней и приговаривают ее к уничтожению в считаные минуты… это довольно впечатляющий процесс»[71].
Поиск и связывание с целевой последовательностью происходят в два этапа. Прежде всего Cas9 ищет короткий мотив ДНК, называемый последовательностью PAM[72], – маяк, который дает ферменту сигнал для кратковременного связывания с ДНК, и взаимодействует с ним. «Это мимолетное взаимодействие приводит к искривлению ДНК», – объясняет Виденхефт. Изгибая ДНК, Cas9 расцепляет нити двойной спирали, чтобы направляющая РНК могла проскользнуть в образовавшуюся щель (создавая так называемую R-петлю)[73]. Направляющая РНК быстро сверяет последовательность с текстом целевой ДНК. Если будет найдено идеальное совпадение среди всех двадцати оснований (букв текста), то ДНК-последовательность будет уничтожена. Cas9 рассекает[74] обе нити ДНК так же ровно, как кухонный нож, создавая двухцепочечный разрыв (DSB, double-strand break) всего в нескольких основаниях от последовательности PAM[75].
Этот удивительный процесс был потрясающе снят на видео исследователями Токийского университета Хироси Нисимасу и Осаму Нуреки в 2017 г. Используя метод, называемый высокоскоростной атомно-силовой микроскопией, они смогли увеличить изображение в тот самый момент, когда Cas9 захватывала молекулу ДНК. В фильме Cas9 выглядит как позолоченный камень, когда она останавливается на несколько секунд на нити ДНК, прежде чем разрубить ее пополам[76]. После того как Нисимасу выложил это видео в своем аккаунте Twitter, оно стало вирусным и было показано по японскому телевидению.
Однако сориентировать Cas9, чтобы она искала конкретную уникальную последовательность в геноме человека, – это в миллионы раз сложнее, чем разрезать вирусную ДНК. Когда комплекс Cas9 входит в чужеродное пространство клеточного ядра, она сталкивается с лабиринтом ДНК – двадцатью тремя парами хромосом, шестью миллиардами букв ДНК (сравним со стандартным геномом фага, состоящим всего из нескольких тысяч оснований). Попадая в ядро, каждая молекула Cas9 обыскивает плотно упакованные спирали ДНК, чтобы найти последовательности PAM, которые встречаются в среднем один раз за каждый полный оборот двойной спирали на 360 градусов, то есть на 10 нуклеотидов. В целом фермент должен «опросить» 300–400 млн оснований, чтобы определить точную мишень для направляющей РНК, которая сама состоит почти из 20 нуклеотидов.
Йохан Эльф, биофизик из Уппсальского университета в Швеции, подсчитал, что Cas9 обычно требуется около шести часов для обнаружения каждой последовательности PAM в бактериальном геноме с остановками на двадцать миллисекунд на каждом предполагаемом участке, чтобы заглянуть в двойную спираль и проверить, действительно ли он нашел правильную мишень[77]. Но упаковка ДНК в ядре эукариотической клетки намного сложнее, чем у бактерий. Во время лекций, проводимых для студентов в Эдинбургском университете, Эндрю Вуд показывает схему строения бактериальной клетки рядом с извилистым петляющим волокном ДНК млекопитающих. «Cas9 не создана для того, чтобы работать в той среде, в которую мы сейчас ее поместили, – говорит он. – Поразительно, что она способна рассмотреть сотни миллионов нуклеотидов за считаные часы»[78].
После того как Cas9 разрезал ДНК, репаративные ферменты ДНК клетки «зашивают» разрыв. Эксперты удивляются тому, как успешно это работает[79]. Cas9 превосходит даже ранее разработанные технологии редактирования генов ZFN и TALEN[80]. «Они были созданы, чтобы работать с эукариотической ДНК, но тем не менее, по всей видимости, Cas9 превосходит их», – говорит Вуд.
Давайте сделаем паузу и отметим решающую роль, которую играет в этом процессе последовательность PAM: поиск коротких фрагментов PAM вместо распаковки и проверки практически всего генома значительно упрощает задачу для Cas9 по фиксации целевой последовательности. Наличие PAM также объясняет то, что Cas9 не разрезает случайным образом повторы в последовательности CRISPR бактериальной ДНК. Это связано с тем, что, когда последовательности ДНК изначально добавляются к участку CRISPR в геноме бактерий, последовательности PAM отсекаются. Генные инженеры не хотят ограничиваться природным набором последовательностей PAM, поэтому модифицируют исходные ферменты Cas9 и Cas других видов бактерий, чтобы расширить их предпочтения в распознавании короткой последовательности PAM.
Если у бактерий настолько эффективна система безопасности, было бы резонно задаться вопросом: почему вирусы не вымерли? Вирусы незаметно развили множество обходных механизмов – группу белков, которые способны нейтрализовать нуклеазы Cas, известные как белки анти-CRISPR. Вирусы и бактерии подобны хищникам и их жертвам, вовлеченным в бесконечную борьбу, которая продолжается сотни миллионов лет[81]. CRISPR обнаружен в 46 % бактериальных геномов и почти во всех геномах архей, но, что удивительно, совсем не встречается в геномах высших организмов. Хотя на сегодняшний день Cas9 чаще всего используется совместно с CRISPR, являясь предметом ожесточенных патентных споров, о которых я расскажу позже, этот фермент представляет собой лишь каплю в море разнообразных систем CRISPR, встречающихся в природе. Ученые прикладывают массу усилий, чтобы изучить биологическое разнообразие на Земле, открыть новые белки семейства Cas с новыми функциями и расширить набор инструментов CRISPR[82].
После того как исследователь определил последовательность гена, на которую он хочет воздействовать, он может перейти на любое количество веб-сайтов, ввести желаемый генетический текст и заказать индивидуально подобранную короткую последовательность направляющей РНК. Если CRISPR – это молекулярная система работы с текстами, то направляющая РНК действует как функция CTRL + F, выявляющая интересующие последовательности генов. Работа Cas9 подобна нажатию клавиш CTRL + X. Однако редактирование генома – это не просто наведение курсора для выделения и удаления опечатки. Речь идет о том, чтобы решить, что будет дальше и как этим управлять, как исправить опечатку.