Два кольца, два конца, посередине Нобель

Почему Шведская академия так быстро признала «ножницы для ДНК»? Объясняет биолог Александр Панчин

КАРТОЧКА ЭКСПЕРТА

Александр Панчин — российский молекулярный биолог, кандидат наук, старший научный сотрудник Института проблем передачи информации имени Харкевича, популяризатор науки.

Мутагенные цепные реакции, редактирование ДНК человеческих эмбрионов, создание устойчивых к вирусам растений, вырезание ВИЧ из человеческих клеток — это лишь малая часть того, чем успели прославиться «молекулярные ножницы» CRISPR/Cas9, за открытие которых вручили Нобелевскую премию по химии 2020 года.

Для людей, интересующихся биологией, это, наверное, одна из самых ожидаемых, а потому и предсказуемых Нобелевских премий десятилетия.

Вопрос был не в том, наградят ли кого-то за CRISPR/СAS9, а кого и когда.

Многим ученым приходится десятилетиями дожидаться заслуженной Нобелевки, но Дженнифер Дудна и Эммануэль Шарпантье получили ее за открытие, которое сделали всего восемь лет назад, — настолько прорывной оказалась технология. Давайте разберемся, что же это такое.

Все началось с того, что у бактерий обнаружили систему противовирусной защиты, которая в чем-то напоминает компьютерный антивирус. Эта система состояла из двух частей: CRISPR (пополняемая «база данных» вирусных генетических фрагментов) и Cas9 (белок, использующий информацию из этой «базы данных», чтобы распознавать вирусную ДНК и разрезать ее). Дудна, Шарпантье и их коллеги показали, что эти «молекулярные ножницы» можно перепрограммировать и направить на самые разные последовательности ДНК, не обязательно вирусные. То есть их можно превратить в инструмент для генной инженерии.

Прелесть этого инструмента можно описать с помощью метафоры. Совокупность молекул ДНК или геном организма — это в каком-то смысле текст, гигантская книга, написанная при помощи четырех типов букв — нуклеотидов А, Т, Г и Ц.

Cas9 — это инструмент контекстной замены, позволяющий вырезать из книги одну фразу и вместо нее вставить другую.

Существовавшие ранее инструменты для разрезания ДНК могли узнавать лишь небольшое количество букв (обычно от четырех до восьми), причем на каждую комбинацию букв приходилось искать свой фермент. Cas9 может узнавать порядка 20 букв, причем вы сами выбираете какие. Но и это не предел — ученые уже успели улучшить этот инструмент для генной модификации и создали системы на основе Cas9, узнающие более 40 букв, то есть на порядок более точные.

Разумеется, у технологии есть и недостатки.

Все же иногда разрезание и сшивание ДНК может происходить не так, как хотелось бы экспериментаторам.

Когда речь идет об использовании Cas9 для создания генетически модифицированных растений или животных, это не представляется проблемой. Вы всегда можете переделать опыты, если что-то пойдет не так. Но это очень большая проблема, если мы говорим о сценарии редактирования геномов людей.

В 2018 году китайский ученый Хэ Цзянькуй заявил, что использовал Cas9 в попытке придать устойчивость к ВИЧ двум близняшкам по имени Лулу и Нана. Это заявление вызвало ряд вопросов: зачем проводить геномное редактирование, пока технология все еще может давать побочные изменения ДНК? Тем более когда в этом нет медицинской необходимости.

Громкие обсуждения коснулись и мутагенных цепных реакций. Это инструмент, сделанный на основе белка Cas9, позволяющий обеспечить передачу определенного генетического изменения всем потомкам организма, а не только половине, как при обычном половом размножении. Мутагенная цепная реакция позволяет заниматься генным редактированием природных популяций.

Достойна упоминания и менее интересная публике, но очень важная для специалистов модификация Cas9, которая позволяет не менять ДНК, но редактировать различные метки, которые могут к ней прикрепляться и влиять на работу генов. Это называют эпигеномным редактированием.

В начале статьи я упомянул, что вопрос был не в том, дадут ли премию за CRISPR/Cas9, а в том, кому ее дадут. Дело в том, что в развитии этой технологии сыграли роль и другие ученые. Например, в лаборатории Чжана Фэна впервые показали на практике, что с помощью белка Cas9 можно редактировать не только ДНК бактерий и вирусов, но и геномы эукариот — организмов, чьи клетки содержат ядра. Это стало отправной точкой для многочисленных применений технологии на животных и растениях. Одна из гипотез о том, почему за CRISPR/Cas9 не дали премию раньше, заключается в том, что Нобелевский комитет не хотел встревать в споры научных групп за различные патенты вокруг технологии.

Группа ученых, включающих биологов Евгения Кунина, Киру Макарову и Джона ван дер Ооста, установила роль белка Cas9 в противовирусной защите бактерий. Их работа 2008 года цитируется более двух тысяч раз и, безусловно, сыграла важнейшую роль в появлении обсуждаемой технологии. И еще больше людей участвовало в совершенствовании Cas9 и разработке основанных на этом белке технологий. Я бы не удивился, если бы Нобелевская Премия по физиологии и медицине в этом году тоже была связана с CRISPR/Cas9, хоть этого и не случилось.