Встреча в кафе, изменившая жизнь человечества, или Как изобретали генетические ножницы

Нобелевская премия по химии 2020 года присуждена двум женщинам-учёным Эммануэль Шарпантье из Института Макса Планка в Германии и Дженнифер Дудна из Университета Калифорнии в Беркли, США.

Официальная формулировка Нобелевского комитета "за развитие методики редактирования генома" (за переписывание кода жизни, как выразился ведущий церемонии Йёран Ханссон).

Если же говорить точнее, то речь идёт о методе CRISPR/Cas9, о котором мы неоднократно рассказывали читателям Вести.Ru, и который представители Нобелевского комитета называют генетическими ножницами. На сегодня эта революционная методика уже позволила побороть в ходе экспериментальных исследований онкологические заболевания, тяжёлые генетические заболевания крови, помогла создать мощное оружие против РНК-вирусов и получить устойчивых к туберкулёзу коров. И это лишь небольшая часть возможностей, которые открылись перед исследователями благодаря работам Шарпантье и Дудна.

Биохимики и клеточные биологи теперь могут легко исследовать функции различных генов и их возможную роль в прогрессировании заболеваний. Селекционеры теперь могут не тратить долгие годы на выработку растениями или животными нужных черт, а могут сразу наделить представителей флоры и фауны специфическими характеристиками, такими как способность выдерживать засуху в более тёплом климате и нашествие насекомых-вредителей. В медицине редактор генов CRISPR/Cas9 используется для разработки новых методов лечения рака и в исследованиях, направленных на лечение ранее неизлечимых наследственных заболеваний.

Изначально Эммануэль Шарпантье исследовала иммунную систему бактерий рода стрептококков. Данные патогены очень распространены и часто заражают людей. Исследовательница надеялась отыскать новую форму антибиотиков для борьбы с этими микробами.

В 2002 году, когда Эммануэль Шарпантье основала собственную исследовательскую группу в Венском университете, она сосредоточилась на одной из бактерий, наносящей большой вред человечеству: Streptococcus pyogenes.

Ежегодно этот патоген заражает миллионы людей, часто инициируя легко поддающиеся лечению инфекции, такие как тонзиллит и стрептодермию. Однако он также может вызывать опасный для жизни сепсис и разрушать мягкие ткани тела.

Но как можно обезвредить S. pyogenes? Шарпантье начала свою работу с тщательного исследования того, как работают гены этой бактерии.

Тем временем Дженнифер Дудна изучает молекулы РНК, молекулярной сестры ДНК. В 2006 году она становится главой исследовательской группы в Калифорнийском университете в Беркли, имея за плечами двадцатилетний опыт работы с РНК.

Группа Дженнифер изучает РНК-интерференцию, которая играет важную роль в защите клеток от вирусов.

Бактерии и их древняя иммунная система

Однажды Дудна узнаёт от коллеги микробиолога о новом открытии. Исследователи, изучавшие генетический материал совершенно разных бактерий, а также архей, обнаружили в ДНК повторяющиеся фрагменты. Один и тот же код появляется снова и снова, но между этими повторениями есть уникальные последовательности, которые отличаются друг от друга.

Учёные назвали находку CRISPR (сокращение от clustered regularly interspaced short palindromic repeats). Интересно, что неповторяющиеся последовательности при этом были похожи на генетический код различных вирусов. Будто бактерии и археи составляли в своей ДНК архивные записи о пережитых атаках патогенов, перемежая их повторяющимся кодом.

Это навело учёных на мысль, что CRISPR – одна из частей древней иммунной системы, которая защищает бактерии и архей от вирусов.

Коллега Дудны отметила, что механизм, используемый бактериями для нейтрализации вируса, очень уж похож на то, что изучает группа Дженнифер (ту самую РНК-интерференцию).

Комплексная машинерия

Погрузившись в эту тему, Дудна выяснила, что другие исследователи также обнаружили особые гены, которые они назвали CRISPR-ассоциированными (сокращенно Cas).

Дженнифер понимает, что эти гены очень похожи на гены, которые отвечают за работу белков, специализирующихся на раскручивании и разрезании нити ДНК. Может, белки Cas имеют ту же функцию? Может, они расщепляют ДНК вирусов?

Последующие годы работы её научной группы позволили во всех подробностях изучить работу белков Cas.

Тем временем Шарпантье перебирается в университет в Швеции и занимается изучением малых РНК, обнаруженных у бактерий вида S. pyogenes.

Она обнаруживает, что в этой бактерии в больших количествах присутствуют небольшие неизвестные молекулы РНК. И по какой-то причине эти РНК по своему строению очень похожи на последовательности CRISPR в геноме бактерии. Позднее выяснится, что эти молекулы РНК играют очень важную роль.

Пока же становится ясно, что S. pyogenes для расщепления вирусной ДНК нужен белок Cas9.

Шарпантье показывает, что неизвестная молекула РНК необходима, чтобы обычная "длинная" РНК (созданная по шаблону CRISPR) стала активной.

Весной 2011 года на научной конференции в Пуэрто-Рико она знакомится с Дженнифер, после чего учёные решают вместе изучать функции Cas9 у S. pyogenes?

Они подозревают, что CRISPR необходима для идентификации вируса, а Cas9 – это своего рода ножницы, разрезающие молекулу ДНК вируса и тем самым обезвреживающие его.

Однако, когда учёные проводят эксперименты "в пробирке", ничего не происходит. Молекула ДНК патогена остаётся нетронутой.

После долгого мозгового штурма и множества неудачных экспериментов исследовательницы добавляют "в пробирку" те самые неизвестные молекулы РНК. И… система выполняет нужную работу!

Исследователи обнаруживают оружие, которое стрептококки разработали для защиты от вирусов, простое и эффективное, даже блестящее.

На этом история генетических ножниц могла бы и закончиться. Но удача сопутствует подготовленным умам.

Эпохальный эксперимент

Исследовательницы решили использовать открытые ими генетические ножницы для изменения генетического кода. Используя свои новые знания, они получили молекулу, которая позволяла "натравить" ножницы на определённый участок ДНК (так называемый РНК-гид).

Результаты эксперимента были ошеломляющими. Молекулы ДНК были расщеплены именно в нужных местах.

Вскоре после того как в 2012 году Эммануэль Шарпантье и Дженнифер Дудна опубликовали статью об открытии генетических ножниц CRISPR/Cas9, несколько исследовательских групп продемонстрировали, что этот инструмент можно использовать для изменения генома в клетках как мышей, так и людей.

Раньше изменение генов в клетке, растении или организме занимало много времени, а иногда это было попросту невозможно. Теперь же исследователи потенциально могли разрезать любую молекулу ДНК.

Этот инструмент был настолько прост в использовании, что теперь его применяют во многих фундаментальных исследованиях.

Эксперименты на животных показали, что можно доставлять генетические ножницы к нужным клеткам.

Вместе с тем разработка генетических ножниц стала причиной серьёзных этических споров. Ведь потенциально с их помощью вполне можно создавать ребёнка "по заказу" (например, с голубыми глазами, светлыми волосами или другими нужными признаками). Поэтому эта область требует отдельного регулирования.

Однако всё это не отменяет того факта, что огромная многолетняя работа Эммануэль Шарпантье и Дженнифер Дудны позволила разработать химический инструмент, который вывел науки о жизни на совершенно новую ступень развития.

Добавим, что методика CRISPR-Cas9 пока ещё работает не идеально. Но сегодня многие учёные мира предлагают способы её усовершенствования, которые позволят увеличить её эффективность (например, повысить количество отредактированных генов). В 2017 году учёные также предложили инструмент, позволяющий лечить болезни без изменения ДНК.