Александр Панчин - Сумма биотехнологии. Руководство по борьбе с мифами о генетической модификации растений, животных и людей
Обычно для генной инженерии растений выбираются особые клетки, которые называются каллусом. Каллус помещают в питательную среду, а потом подвергают обстрелу из генной пушки. Клетки каллуса многофункциональные, неспециализированные, из них можно получить целое растение путем вегетативного размножения. Если растение получено из генетически модифицированной клетки каллуса, оно будет целиком генетически модифицированным и станет давать соответствующее потомство.
В основе еще одного метода генной инженерии лежит использование почвенной агробактерии Agrobacterium tumefaciens. Ключевую роль в процессе генной модификации растительных клеток играет Ti-плазмида этой бактерии. Ее можно сравнить с маленькой передвижной подпольной лабораторией по генной инженерии, которую бактерия таскает с собой. Ti-плазмида кодирует целый арсенал белков, необходимых для доставки ДНК в растительную клетку, а также содержит особый участок, который называется Т-ДНК. Когда бактерия оказывается рядом с растительной клеткой, между ними образуется канал. Тем временем в бактерии создается копия Т-ДНК и синтезируются белки, которые связываются с Т-ДНК, помогают ей пройти по каналу внутрь растительной клетки, а дальше в ее ядро, где они создают разрезы в геномной ДНК растения и интегрируют Т-ДНК в одну из хромосом.
Бактериальные белки переносят не любую ДНК, а именно Т-ДНК, потому что она содержит особые последовательности, которые узнаются вышеупомянутыми белками Ti-плазмиды. В природе Т-ДНК содержит набор генов, которые, оказавшись в растительном геноме, заставляют клетки активно делиться и производить для бактерий питательные вещества. В результате на зараженных тканях растения образуются опухоли – корончатые галлы (в чем-то похожие на клубеньки). Но не стоит их путать с раковыми опухолями – там совсем другие молекулярные механизмы.
Как бы мы могли использовать замечательную способность агробактерий переносить свои гены в геномы растений? Можно взять Ti-плазмиду и убрать из Т-ДНК гены, вызывающие появление корончатых галлов309, а на их место вставить, например, ген Cry-токсина, который делает растение устойчивым к вредителям, или какой-нибудь другой ген, повышающий сельскохозяйственную ценность растения. Такую модифицированную Ti-плазмиду мы можем поместить внутрь агробактерии, а дальше агробактерия сама сделает свое дело – перенесет Т-ДНК в растительную клетку. Прелесть технологии в том, что Т-ДНК встраивается прямо в хромосому растения. Когда растительная клетка будет делиться, вставка будет размножаться и передаваться ее потомкам. Нам остается лишь использовать способность растений к вегетативному размножению, чтобы вырастить из небольшого числа клеток взрослый генетически модифицированный организм.
Стоит подчеркнуть несколько моментов, которые часто вызывают путаницу. Внутри растительных клеток ни на каком из этапов не присутствует вся бактериальная Тг-плазмида. Присутствует только ее часть – Т-ДНК. Вставка наследуется и передается потомкам растения даже при половом размножении. Вставка, используемая генными инженерами, больше не содержит опухолевых генов, поэтому у генетически модифицированных растений опухоли не появятся.
Для генной инженерии можно использовать не только бактерии и их плазмиды, но и вирусы. В предыдущих главах мы обсуждали способность некоторых вирусов встраивать копии своего генома в геномы клеток различных организмов. Но вирусы чаще всего вредны, а нам хочется переносить гены с минимальными побочными эффектами. Решить эту задачу помогает то обстоятельство, что вирусные частицы легко получаются из отдельных компонентов. Для создания вируса можно отдельно синтезировать вирусные белки (в каких-нибудь клетках), отдельно произвести копии его ДНК (если это вирус с ДНК-геномом) или РНК (если его геном из РНК), а потом смешать все это вместе в пробирке.
В вирусной ДНК (или РНК) присутствуют определенные последовательности нуклеотидов, необходимые для сборки вирусных частиц. Такие последовательности – что-то вроде “кодового слова”. Зная “кодовое слово”, мы можем снабдить им любую последовательность ДНК (или РНК) – например, нужный нам ген. Желательно только, чтобы конечная генетическая конструкция имела размеры, примерно соответствующие размеру вирусного генома. Мы можем отдельно синтезировать обрамленные “кодовыми словами” нужные нам гены, а потом смешать их с вирусными белками, необходимыми для сборки вирусных частиц. Полученные частицы будут взаимодействовать с клетками и доставлять в них нашу генетическую конструкцию, но не будут полноценными вирусами, так как в них нет опасных вирусных генов (а только необходимые нам). Зараженные клетки не будут производить новые вирусные частицы.
Напоследок у нас осталось еще одно, пожалуй, наиболее интересное и сложное оружие в руках генного инженера, за открытие которого, несомненно, дадут Нобелевскую премию. Я уже упоминал о нем, рассказывая про способность бактерий модифицировать свой собственный геном. Речь идет о CRISPR-системе. В 2000 году группа испанских био-информатиков обнаружила загадочное явление – скопление похожих друг на друга (повторяющихся) последовательностей в геномах многих прокариот310. Между повторяющимися последовательностями находились уникальные участки ДНК длиной в несколько десятков нуклеотидов, которые ученые назвали спейсерами. Представьте шахматную доску, где в одном ряду на черных клетках стоят различные фигуры, а на белых – одинаковые пешки. Повторяющиеся элементы оказались похожими даже в очень разных группах бактерий и архей, поэтому было выдвинуто предположение, что эти последовательности играют важную, но пока неизвестную роль в жизни прокариотических клеток.
В 2005 году три группы исследователей независимо обнаружили, что бактерии направленно встраивают небольшие фрагменты чужеродной ДНК (например, куски геномов бактериофагов) в свой геном в виде тех самых спейсеров311–313. Оказалось, что встраивание происходит в определенном месте бактериального генома, которое получило название “CRISPR-кассета”. Но для чего это бактериям? Группа эволюционного биолога Евгения Кунина (одного из самых цитируемых современных ученых и автора книги “Логика случая”) заинтересовалась вопросом о функциях спейсеров. Исследователи проанализировали имеющиеся генетические последовательности CRISPR-кассет и в 2006 году предсказали, что мы имеем дело с системой бактериального иммунитета314.
Как потом выяснилось, группа Кунина была права не только насчет функции CRISPR-кассет, но и насчет механизма работы бактериального иммунитета. Они предположили, что этот механизм похож на РНК-интерференцию эукариот. Напомню, что при РНК-интерференции короткие фрагменты чужеродной РНК используются особыми клеточными белками для поиска длинных чужеродных молекул РНК и их уничтожения. Аналогично CRISPR-система бактерий использует короткие фрагменты “направляющих РНК”, синтезированных со спейсеров, для обнаружения полноразмерных молекул ДНК бактериофагов.
Бактерии производят длинные молекулы РНК, содержащие последовательности всех спейсеров. Эти молекулы разрезаются на короткие фрагменты, каждый из которых соответствует ровно одному спейсеру. Полученные направляющие РНК помогают комплексу белков находить любые генетические последовательности, комплементарные спей-серу, например ДНК вирусов. Обнаруженные фрагменты после опознания разрезаются. Подобно антивирусным программам, бактерии регулярно пополняют свою “базу данных” спейсеров, когда сталкиваются с новыми бактериофагами (если переживают эту встречу).
Подтверждение роли CRISPR-системы в бактериальном иммунитете было опубликовано в 2007 году в журнале Science и принадлежит группе ученых из компании Damsco315. Исследователи хотели улучшить йогурт, защитив молочнокислые бактерии от бактериофагов, но волей случая внесли вклад в открытие одного из самых важных методов редактирования ДНК живых организмов.
В 2012 году в журнале Science вышла статья ученых из Медицинского института Говарда Хьюза, в которой было показано, что один из белков бактериальной CRISPR-системы (белок Casp) умеет разрезать молекулы ДНК в строго определенных местах316. Для этого достаточно предоставить ему специально подобранные направляющие РНК. Год спустя все та же группа исследователей опубликовала статью под названием “РНК-программируемое редактирование генома клеток человека"317. Оказалось, что белок Casp может работать и в клетках человека, если вместе с геном белка Casp внедрить в них ген, кодирующий направляющую РНК к какой-нибудь последовательности человеческой ДНК. Параллельно другая группа исследователей генетически модифицировала мышей с помощью Casp318. Но самое интересное было дальше.
