Максим Либанов - Почему наш мир таков, каков он есть. Природа. Человек. Общество (сборник)
Мы начинаем думать, что это неспроста: возможно, устойчивость связана с добавлением фрагмента из ДНК вируса в CRISPR-кассету бактерии. Говоря математическим языком, мы уже доказали, что это «необходимо»: у всех устойчивых культур в геноме появлялся новый вирусный кусочек. Чтобы доказать «достаточность», поставили молекулярно-генетический эксперимент: ученые сами взяли из вируса кусочек ДНК и вставили его в бактериальную клетку методами молекулярной генетики. И получили устойчивые к вирусу бактерии! Значит, для устойчивости необходимо и достаточно попадания небольшого участка вирусной ДНК в CRISPR-кассету бактерии.
Этот результат был опубликован в 2007 году в журнале Science, и он много что перевернул в биологической науке. Помните спонтанность мутаций? Это был основной вывод из работы Дельбрюка и Лурии, которые за это получили Нобелевскую премию. А в этом опыте, проведенном сотрудниками Danisco, результат оказался ровно обратным: ведь чтобы вставить кусок ДНК из вируса в CRISPR-кассету, надо хотя бы с этим вирусом встретиться. Если вируса нет, то и вставлять в кассету нечего.
Опыт, проведенный сотрудниками Danisco, фактически идентичен тому, что ставили Лурия и Дельбрюк, но результат получился противоположный. Люди ели кефир и в 1943 году, и если бы Лурия и Дельбрюк случайно взяли для своего опыта не кишечную палочку, а лактобациллу или какой-нибудь другой микроб, они пришли бы к другому выводу. Получается, что здание молекулярной биологии строится на довольно хлипких основаниях. Неужели зашаталась центральная догма?
Нет, мир не перевернулся. Дельбрюк и Лурия работали с изнеженной лабораторной культурой кишечной палочки, у которой по каким-то причинам механизм приобретенного иммунитета за счет действия CRISPR просто отсутствовал. Именно это и позволило им обнаружить важнейший факт спонтанного возникновения мутаций. Если бы у их бактерий работала кассета CRISPR, результат эксперимента был бы в некотором смысле безнадежно испорчен. Что, конечно, не помешало бы спонтанным мутациям оставаться главным механизмом дарвиновской эволюции – за исключением ламарковского явления приобретенного бактериального иммунитета под действием CRISPR-систем и еще, возможно, пары-тройки других особых случаев.
О пользе точности для генной медицины
Прикладные специалисты из Danisco свою проблему решили, но фундаментальным ученым (типа меня) стало крайне интересно, как работает приобретенный, адаптивный иммунитет бактерий на молекулярном уровне. Выяснилось следующее. Система бактериального иммунитета основана на РНК (помните: ДНК –> РНК –> белок?). Когда вирус заражает клетку, он иногда не сразу убивает ее, и маленький кусочек ДНК вируса успевает встроиться между двумя повторами в CRISPR-кассету бактерии. Потом ДНК кассеты транскрибируется – с нее считывается РНК. Эта РНК специальными белками разрезается на кусочки длиной в шестьдесят нуклеотидов, в шестьдесят букв. У каждой из возникающих коротких молекул РНК концевые участки одинаковые – они соответствуют CRISPR-повторам, а средние участки разные, их последовательности соответствуют спейсерам. Если теперь в клетку сунется вирус, в ДНК которого есть участок, соответствующий одному из спейсеров, то одна из коротких молекул РНК узнает ДНК этого вируса – просто по правилу комплементарности (ведь РНК – это фактически копия вирусной ДНК). А после узнавания в дело вступает специальный белок (его называют Cas, и он является существенным компонентом CRISPR-системы), который раскусывает ДНК вируса в месте узнавания. И все, больше нет вируса, клетка спасена.
«Мы похожи на людей, которые тыкают пальцем в черную занавеску, пытаясь во что-то попасть, но что за этой занавеской, никто не знает».
Константин СевериновНо это не значит, что бактерия и все ее потомки навеки гарантированы от заражения: вирус тоже не дремлет. Он мутирует, изменяя время от времени последовательность букв-оснований в своем геноме. И когда он случайно изменит хоть одну букву из тех, что записаны в спейсере CRISPR-кассеты, вирус снова станет победителем, а бактерия останется безоружной, пока не подцепит себе новую охранную грамоту – дополнительный спейсер – от того же паразита.
Таким образом, если есть хоть одно несоответствие между фрагментом ДНК вируса и CRISPR-спейсером бактерии, защиты не будет. К чему такая точность? Дело в том, что определенная последовательность из тридцати-сорока нуклеотидов – автограф вируса, оставленный в виде спейсера, – по статистике вряд ли случайно встретится на бактериальной хромосоме. Но если допустить возможность хотя бы одной опечатки, вероятность случайного совпадения с какой-нибудь последовательностью ДНК бактерии резко возрастает, a это может привести к автоиммунному ответу. Другими словами, чтобы система CRISPR не начала случайно громить хромосому бактерии, она должна работать очень точно и быть чувствительной даже к единичным несоответствиям между ДНК вируса и последовательностью спейсеров.
Но при чем тут генная медицина, спросите вы. Это важный вопрос, потому что многие люди, которые занимались системой приобретенного иммунитета CRISPR – и я один из них, – тоже не сразу поняли, при чем тут генная медицина, и прошляпили открытие своей жизни. Тем временем чуть больше года назад в журналах Science и Nature пошли одна за другой статьи с названиями типа «Использование системы CRISPR для редактирования человеческого генома». И вот это уже имеет к генной медицине самое непосредственное отношение.
Вспомним: что такое генная медицина? И что такое генетические болезни?
Человек оказывается носителем генетического заболевания, если генетическая информация, кодирующая какой-то определенный белок его организма, оказывается изменена. Возьмем, к примеру, болезнь, которая называется «серповидно-клеточная анемия»[28], – это болезнь крови, которая распространена в Центральной Африке. У страдающих этой болезнью клетки крови, эритроциты, имеют не обычную форму диска, а вытянуты в одном направлении – из-за этого они нередко закупоривают капилляры. Причина в том, что у таких больных в одной из копий гена гемоглобина – полученной или от отца, или от матери, – есть единственная ошибка: буква G заменена на Т. Из-за этого меняется последовательность аминокислот в гемоглобине, одна аминокислота оказывается замененной на другую. Измененный белок перестает быть растворимым, его молекулы связываются друг с другом и образуют длинные жесткие нити, распирающие клетку изнутри, придавая ей странную форму.
Похожим образом устроены и более сложные генетические болезни, такие как рак. В раковой клетке тоже возникают генетические изменения, и в результате она начинает бесконтрольно делиться, другое изменение приводит к злокачественности, способности метастазировать и так далее. Серия таких изменений в конечном счете обеспечивает развитие болезни.
Как лечить генные болезни? Принципиально вопрос несложный: фактически лечение генетических болезней – это редактирование. Представьте себе, что наш геном – это книга, в которой написано, что это вы. Нужно найти в этой книге опечатку и ее исправить. Принципиально все просто, но на самом деле все очень сложно, потому что размер генома человека – около трех миллиардов букв. Это тысяча произведений размером с «Войну и мир». Нам нужно каким-то образом пролистать их, найти одну-единственную опечатку, ответственную за болезнь, и исправить ее. Причем нужно сделать это очень точно, ведь могут быть похожие генетические слова, а вы хотите исправить опечатку именно здесь и не испортить все остальное.
Тут и приходит на помощь система CRISPR. Мы уже сказали, что она способна узнавать генетические слова длиной в тридцать-сорок букв с точностью до одной-единственной буквы. И люди, которые помнили про генную медицину, решили: чем черт не шутит, давайте засунем в человеческую клетку бактериальный Cas-белок и снабдим его РНК, спейсерный участок которой будет соответствовать участку человеческого гена, нуждающегося в корректировке.
Дальнейшее – дело техники: РНК найдет опечатку, бактериальный Cas-белок перекусит хромосому, а уж после этого в дело вступают наши собственные защитные системы: поврежденная нить ДНК восстанавливается по правильной нити из хромосомы, полученной от другого родителя.
Таким образом, оказалось, что люди, занимавшиеся иммунитетом у бактерий, сами того не подозревая, изобрели новый метод генной инженерии – генную хирургию. С помощью этого метода уже сейчас люди лечат болезни, – пока на мышах, но дело дойдет и до людей. В течение ближайших пары лет метод пойдет в клинические испытания.
Выводы и уроки
У широкой публики существует целый ряд предубеждений, касающихся природы научного знания. Во-первых, считается, что путь науки – это непрерывное поступательное движение от незнания к знанию, и каждый новый научный факт раз и навсегда ложится кирпичиком в фундамент этой грандиозной, рациональной и внутренне логичной конструкции. Во-вторых, многие полагают, что если бросить все силы и средства на какое-то научное направление, рано или поздно на этом направлении произойдет научный прорыв и будут открыты новые фундаментальные факты о природе. В-третьих, считается, что в свете этих фундаментальных фактов неизбежно откроются новые возможности практического применения науки на пользу человека, в результате чего жизнь станет лучше и веселее.
