Чтение онлайн

Природный инструментарий починки ДНК можно использовать и более конструктивно – например, для внедрения в геном новых последовательностей. Мы можем ввести в клетку фрагменты ДНК с любым желательным для нас геном. Ремонтные белки непривередливы: они сшивают любые концы ДНК, которые находят, – и с их помощью один из наших фрагментов может попасть в разрыв цепей и с обеих сторон соединиться с геномом. Возможно, вы уловите в выражении «может попасть» немало неопределенности, и будете правы: вероятностная природа микроскопического мира здесь проявляется сполна. Расщепленные Cas9 свободные концы ДНК перемещаются по законам броуновского движения. Белки, которые выявляют и чинят поврежденную ДНК, тоже блуждают. Какую пару они найдут раньше – свободный конец геномной ДНК и конец введенного в клетку фрагмента либо два свободных конца генома, – зависит от траектории их случайных перемещений, хотя мы и можем влиять на результат введением в клетку множества копий нужного гена, и тогда белок с большей вероятностью наткнется именно на него. Cas9 между тем останется в клетке – он может опять найти свою ДНК-мишень, расщепить ее и повторять процесс снова и снова. У нас есть шанс получить желаемый результат, но нет в этом уверенности. Как и в случае старых методов, нам придется совершить много ошибок, прежде чем мы добьемся успеха. Тем не менее, если все выходит как задумано, этот метод позволяет поместить наш ген ровно в то место генома, где мы хотим его видеть.

Хотя программируемые системы CRISPR/Cas9 появились от силы 10 лет назад, ученые уже изобрели более удобные схемы внедрения генетического материала. Перспективный метод праймированного редактирования, разработанный в 2019 году группой Дэвида Лю из Института Эли и Эдит Броуд, задействует широкий спектр клеточных механизмов26. Я не буду вдаваться в детали, но по сути он сплавляет модифицированный Cas9 с обратной транскриптазой – белком, формирующим ДНК на матрице РНК (см. главу 13), – и включает в РНК-гид ту самую матрицу для внедряемой, измененной по сравнению с геномной последовательности ДНК. Химера из Cas9 и обратной транскриптазы узнает и разрезает в нужном месте одну из цепей геномной ДНК, а затем в месте разреза синтезирует по матрице гидовой РНК новую ДНК, уже с желаемыми изменениями. Лишний фрагмент старой цепи должны отрезать клеточные ферменты. Рисунок дает общее представление об этом многоэтапном процессе [68] : ДНК обозначена черным, РНК – серым, на измененную последовательность указывают стрелки; белок не представлен.

Группа Лю успешно применила праймированное редактирование в клеточных культурах мыши и человека и отметила, что эта техника принципиально пригодна для исправления 89 % генетических вариантов, ассоциированных с болезнями человека. (В оставшиеся 11 % входят, например, множественные копии генов, с которыми не справиться простым переписыванием участка ДНК.)

В этой искусной подгонке ДНК с помощью иголок и ниток – белков и нуклеотидов – находит отражение физическая природа биологических молекул. ДНК – это носитель генетической информации, и чтобы изменить эту информацию, мы создаем инструменты, позволяющие нам без визуального контроля захватывать, разрезать, вставлять и сшивать ДНК-фрагменты. Точность операций поражает даже с небиологической точки зрения. Размеры некоторых деталей новейших компьютерных микросхем не превышают 10 нанометров. Длина одного нуклеотида ДНК составляет около 1/3 нанометра, но его можно контролируемо заменять с помощью праймированного редактирования и других новейших подходов.

Как мы узнали, активность клетки определяется не только физическим присутствием в ней какого-либо гена. Важнейшую роль играет регуляция – контроль разных этапов реализации закодированной в нем информации (см. главу 4). Ученые уже придумали, как использовать CRISPR/Cas9 для программирования регуляторных механизмов. И снова гидовая РНК этой системы служит проводником к геномным мишеням. А вот вместо стандартного белка Cas9 здесь работают его модифицированные формы, не способные расщеплять ДНК. Чтобы отключить целевой ген, лишенный нуклеазной активности Cas9 должен просто сесть в нужном месте на ДНК и помешать работе РНК-полимеразы, как это делает обычный репрессор. Такую технику использует описанный в главе 9 переключатель, который лишает бактерию возможности направленно плыть. Но гены можно и включать – например, привязывая безнуклеазный Cas9 к активаторам транскрипции, которые рекрутируют РНК-полимеразу. Таким образом, благодаря CRISPR у нас появился удобный доступ не только к геномам, но и к их регуляторным схемам.

Методы на базе CRISPR позволяют легче и изящнее изменять растения, которые тысячи лет служили мишенями генетических манипуляций. Предок помидора, который по-прежнему встречается в дикой природе, дает плоды размером с горошину. В ходе одомашнивания растения его плоды становились крупнее и питательнее – так получились знакомые нам томаты. Избирательное скрещивание позволило нам отобрать предпочтительные генетические варианты, но за традиционную селекцию мы расплачиваемся снижением генетического разнообразия и устойчивости растений к стрессам, характерной для их дикого родственника. В 2018 году ученые применили систему CRISPR/Cas9, чтобы встроить в геном дикого растения всего четыре гена одомашненных томатов27. В результате оно дало плоды массой втрое больше обычной. Точность CRISPR не только бережет целостность генома, но и не допускает переноса потенциально нежелательных сцепленных генов – побочного эффекта традиционной селекции (мы видели похожее сцепление у арбуза).

Но, разумеется, больше всего нас заботит собственный организм. Медицинские подходы на базе генетического редактирования разрабатывают и внедряют с головокружительной быстротой. Эти техники не только приносят пользу, но и проливают свет на тонкости практического применения редактирующих инструментов. Чтобы системы CRISPR/Cas9 могли вырезать и вставлять фрагменты генома, эти молекулярные машины должны попадать внутрь клеток, которые мы хотим модифицировать. Лучше всего с этой задачей справляются вирусы, специально доработанные для переноса ДНК, которая кодирует белок Cas9 и необходимые последовательности РНК. Вирусы автоматически распознают клетки-мишени, прикрепляются к ним и затем проникают внутрь.

Но направить вирусы только в нужные нам клетки очень сложно. Одно из решений – извлекать целевые клетки из организма, редактировать их и помещать обратно. В 2015 году, например, ученые из Пенсильванского университета отбирали клетки крови и циркулирующие иммуноциты у пациентов, зараженных вирусом иммунодефицита человека (ВИЧ), который атакует T-лимфоциты, и возвращали их уже отредактированными28. Еще раньше ученые заметили, что мутация в гене CCR5, кодирующем мембранный белок Т-лимфоцитов, может защищать от ВИЧ-инфекции [69] . Пенсильванская группа повредила в извлеченных Т-клетках CCR5 и ввела их в кровоток тех же пациентов. Улучшение здоровья после процедуры оказалось незначительным, но метод зарекомендовал себя как безопасный и убедил несколько научных коллективов продолжить разрабатывать это терапевтическое направление. Еще один новаторский эксперимент 2015 года тоже задействовал иммунные клетки, на этот раз взятые у донора: их отредактировали, чтобы сделать устойчивыми к противораковым препаратам, и ввели в организм годовалой девочки, которая страдала лейкозом, не отвечающим на другие методы лечения29. Как правило, донорские иммуноциты провоцируют мощный и потенциально смертельный иммунный ответ у реципиента, если подходят ему не идеально. В этом же эксперименте редактирование предполагало и отключение генов, запускающих такой ответ. Организм ребенка принял модифицированные клетки спокойно, и лейкоз перешел в стадию ремиссии.

Ни в одном из приведенных примеров редактирования не использовали систему CRISPR/Cas9: ученые работали упомянутыми в начале главы инструментами, которые появились немного раньше: ZFN (в случае с ВИЧ) и TALEN (в случае с лейкозом). Сегодня разрабатывается множество методов терапии на базе CRISRP/Cas9. Вместе с тем саму модификацию стараются переносить внутрь человеческого организма, чтобы воздействовать на ткани и органы, которые невозможно извлечь из тела.

В начале 2020 года носитель редкой мутации, вызывающей слепоту, стал первым человеком, в организм которого напрямую – инъекцией вирусов в глаз – ввели систему CRISPR/Cas930. Мутация, на устранение которой она нацелена, происходит в гене белка, необходимого для построения «башенок», содержащих светочувствительные молекулы, в особых клетках сетчатки [70] . Чтобы гарантировать редактирование гена только в нужных клетках, в молекулу ДНК, кодирующую Cas9, встроили промотор, разрешить считывание с которого могут лишь факторы транскрипции, производимые именно в тех клетках сетчатки. Если проходящее сейчас клиническое исследование окажется успешным, это станет поворотным моментом в истории лечения слепоты, ведь результат теперь будет достигаться не сложной операцией или внедрением электрического имплантата, а подстройкой собственной инструкции человека по самосборке.

Понимание роли биофизических принципов самосборки и регулирования помогает нам постичь механику редактирования генома. Объясняя, как Cas9 находит нужные участки ДНК, я вскользь упомянул и другую тему – случайность. Но случайность даже важнее, и контролировать или хотя бы учитывать ее в практике редактирования геномов – непростая задача. Я сказал, что Cas9 посредством удерживаемого им РНК-гида связывается с последовательностью ДНК, комплементарной гидовой РНК. В целом это так, но только сложнее. Как и в любом молекулярном взаимодействии, сродство максимально при идеальном совпадении, но при неидеальном не падает до нуля. Всегда есть вероятность, что Cas9 атакует неправильную ДНК. Насколько эта вероятность значима, зависит от ее величины и от фактора времени. Допустим, вероятность нецелевого связывания Cas9 составляет 1 к 1000. Какой бы ни была наша задача, вероятность одного промаха на тысячу попаданий приемлема. (Это даст нам, например, лишь несколько аутсайдеров в сетчатке, полной восстановленных клеток.) Но представим дальше, что Cas9 продолжает работать в клетках, синтезируясь с гена доставленной ДНК. Может, за неделю и возникнет одна ошибка, но через 1000 недель (20 лет) белок почти наверняка хоть раз промажет мимо цели во всех клетках. Реальные показатели зависят от особенностей связывания и математики вероятностей. В одних случаях выгода перевешивает риски, в других – нет. Мы могли бы существенно повысить шансы в свою пользу, если бы научились отключать Cas9 сразу после выполнения задачи, а не позволять ему блуждать активным вечно.

Кажется, что в нескончаемой конкурентной борьбе между организмами на каждую уловку у них находится ответная, против каждого оружия есть защита, а на каждую защиту есть оружие, которое эволюционирует, чтобы обойти ее. Пожалуй, неудивительно, что раз существует CRISPR, то существует и анти-CRISPR. Вирусы выработали инструменты, выводящие из строя механизмы бактериального иммунитета. Анти-CRISPR обнаружили в районе 2012 года: магистрант Джо Бонди-Деноми из лаборатории Алана Дэвидсона в Университете Торонто заметил тогда, что некоторым вирусам удается-таки закрепиться в бактериях, обладающих CRISPR-спейсерами против них31. Оказалось, что в ходе какого-то из прежних вторжений вирусы успели встроить в бактериальную ДНК гены своих белков, мешающих работе Cas. Систем анти-CRISPR великое множество – нам известно уже больше 50, – и нацелены они на всевозможные компоненты и этапы CRISPR-защиты32. Одни не позволяют белкам Cas объединяться с гидовыми РНК, другие – связываться с ДНК или расщеплять ее, третьи режут РНК-гиды, а механизмы многих пока непонятны. Но в каждом случае ключевыми оказываются биофизические взаимодействия. Например, блокируя связывание с ДНК, некоторые белки анти-CRISPR воспроизводят профиль электрического заряда ДНК: они копируют силовую и пространственную картину ее отрицательно заряженной поверхности, чтобы улечься в связывающую бороздку Cas, то есть занять место, предназначенное для ДНК. Кажется, вирусы используют электрические свойства ДНК в своих целях подобно тому, как мы применяем их для перемещения нуклеиновых кислот в гелях (см. главу 13).

Почти сразу после открытия анти-CRISPR ученые поняли, что новые системы могут сослужить добрую службу в редактировании генома. В 2017 году Дженнифер Даудна и другие ученые, включая Бонди-Деноми (который к тому времени возглавил собственную лабораторию в Калифорнийском университете в Сан-Франциско), показали в человеческих клетках, что введение анти-CRISPR после редактирующей системы на основе Cas9 эффективно подавляет дальнейшую модификацию ДНК, а значит, уменьшает число нежелательных генетических изменений33.