Генетический копипаст

По коридору бегает кошка, которая светится в темноте. Колорадские жуки, съев картофельный лист, умирают, не оставляя потомства. Мухи цеце больше не переносят сонную болезнь — переносчик просто не может теперь жить в их организме. Фермеры получают в несколько раз больший урожай с прежней площади и могут прокормить все возрастающее население планеты. Прежде неизлечимые наследственные болезни исцеляются одним уколом. После 50 лет люди проходят курс инъекций — и их организм молодеет на десяток лет. Возможно, именно таким будет мир уже через 10–20 лет благодаря генной инженерии.

Кирпичики жизни

Прежде чем начать разговор о редактировании, разберемся, каким образом работает наследственность. За хранение, передачу и реализацию генетической программы любого организма отвечает дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) — огромная молекула, которая состоит из четырех азотистых оснований (нуклеотидов), связанных в длинную цепь: аденина, гуанина, тимина и цитозина. Одна цепь этих оснований водородными связями соединяется с другой цепью — и получается молекула ДНК в виде двойной спирали. Последовательность нуклеотидов и кодирует абсолютно всю генетическую информацию.

Участок ДНК, кодирующий определенный признак, называется геном, вся совокупность наследственной информации в одной особи — генотипом, а набор генов, характерный для вида, геномом. Молекулы ДНК, содержащие множество генов, образуют хромосому — структуру в ядре клетки, которая содержит наследственную информацию.

Например, геном человека состоит из 23 пар молекул ДНК, или хромосом. Каждая хромосома несет гены, отвечающие за определенный набор признаков. Всего в этих 46 парах находится почти 20 тысяч активных генов (которые кодируют белки — «строительный материал» нашего организма) и больше 63 тысяч так называемой мусорной ДНК (она не кодирует белки, но нужна для регуляции активности генов) и более трех миллиардов нуклеотидов. У всех людей 99,9 % одинаковых генов, и всего 0,1 % обуславливает все наши различия во внешности, расе, скорости обмена вещества и подобном. В рамках крупнейшего в истории международного исследования по биологии «Геном человека» ученые определили и описали (в том числе выяснили функции) всех генов человека. Проект стартовал в 1990 году, основная его часть (описание 85 % генов) завершилась к 2003, а полностью работа была завершена только в апреле 2022-го.

Редактирование генов — это процесс включения, удаления или перемещения фрагментов ДНК в организме. Для этого используются специальные белки, которые могут расщеплять ДНК в нужных местах, — эндонуклеазы, или «молекулярные ножницы». После этого молекулу как бы собирают заново, получая заданную мутацию.

Чик-чик — и готово

Существует несколько способов редактирования генома. Четыре из них считаются наиболее перспективными.

Мегануклеазы — это небольшие белки, которые найдены у многих организмов: бактерий, дрожжей, архей, водорослей и некоторых растений. Их биологическая роль не вполне ясна, но они способны распознавать длинные участки ДНК, содержащие от 14 до 40 пар оснований. В генной инженерии используют семейство мегануклеаз LAGLIDADG, найденное в одноклеточных организмах. Сложность использования этих белков в том, что они выделяют очень большую последовательность нуклеотидов — теоретически, она может не встретиться в геноме ни разу. Поэтому создание нуклеаз, которые «разрежут» ДНК в нужном месте, — довольно трудная задача. Тем не менее, этот метод уже предлагают использовать для очистки нейронов от латентного вируса герпеса.

В середине 1980-х годов у обитающей в Африке гладкой шпорцевой лягушки были обнаружены фрагменты белков, которые включали ионы цинка. Их назвали цинковые пальцы, и оказалось, что они способны распознавать и связывать последовательности нуклеотидов в ДНК. В отличие от мегануклеаз, цинковые пальцы распознают последовательности намного точнее: белок, содержащий 3–6 таких фрагментов, может распознать последовательность из 9–18 пар нуклеотидов. К такому белку добавляют эндонуклеазу — и молекулярные ножницы готовы. Проблема цинковых пальцев в сложности изготовления: помимо сборки белка, распознающего необходимую последовательность, нужно синтезировать два фермента, которые будут расщеплять ДНК. Такая система становится недостаточно специфичной и есть риск создания нежелательных мутаций, а организм может непредсказуемо отреагировать на введение чужеродного белка.

Чтобы решить проблемы цинковых пальцев, была разработана система TALEN. Основу для нее подарила нам бактерия Xanthomonas, которая вызывает болезни у нескольких десятков сельскохозяйственных культур. Именно поэтому ее тщательно изучали и выяснили, что бактерия вводит в цитоплазму клетки специальные TALE-белки, которые регулируют выработку того или иного белка как у бактерии, так и у растения. Эти белки модифицируют ДНК так, чтобы растение начало «работать» в пользу бактерии. Таким образом, если дополнить TALE-белок эндонуклеазой, получится система редактирования генов, аналогичная цинковым пальцам. Но достоинство ее в том, что в случае TALE в белке есть серия небольших участков, каждый из которых узнает свой единственный нуклеотид. Разобравшись в том, какой участок какой нуклеотид узнает, ученые смогли комбинировать их так, чтобы с высокой точностью воздействовать на конкретный участок ДНК.

Используя методы цинковых пальцев и TALEN выводят так называемых нокаутных мышей — лабораторных животных, у которых выключен (нокаутирован) какой-либо ген. Это вызывает нарушения в организме, которые позволяют изучать развитие и способы лечение человеческих болезней.

Последний способ, считающийся самым перспективным, — это система Crispr-Cas9, и ее чаще всего упоминают, говоря о редактировании генов. Она заслуживает отдельной статьи, вкратце, принцип ее работы такой же, как и у описанных выше, но она не требует сложной и дорогой «сборки» белков. Вместо них Crispr-Cas9 использует молекулу РНК, которую можно менять, наводя на любую последовательность нуклеотидов. Если другие системы нужно создавать под конкретную задачу и стоят они несколько тысяч долларов, то Crispr-Cas9 создается быстро и стоит 10–20 долларов.

Системы редактирования генома открывают для человечества очень широкое окно возможностей: от выведения новых видов сельхозкультур до излечения наследственных и неизлечимых в данный момент болезней. Вполне вероятно, что в течение уже ближайших лет появится новая отрасль медицины — геномная медицина. Вместе с тем уже сейчас правовое регулирование редактирования генов сильно отстает от развития технологии. Разные страны по-разному подходят даже к определению того, что считать генетически модифицированным организмом. Кроме того, звучат призывы запретить вмешиваться в генетический код человека. Все это ставит перед человечеством не только технологические, но и этические вопросы, которые только предстоит разрешить.

^{Иллюстрация на превью: Cancer cell photo created by kjpargeter — www.freepik.com}