Жизнь, которую мы создали. Как пятьдесят тысяч лет рукотворных инноваций усовершенствовали и преобразили природу

В 2012 году группы исследователей, руководимые Дженнифер Даудной из Калифорнийского университета в Беркли и Эмманюэль Шарпантье, возглавляющей теперь один из Институтов Общества Макса Планка в Берлине, завершили процесс создания системы редактирования генома, которая, можно сказать, демократизировала генную инженерию. Все началось двадцатью годами ранее, когда Ёсидзуми Исино и его коллеги из Осакского Университета заметили в геноме бактерий необычные наборы повторяющихся последовательностей. Эти повторяющиеся последовательности, известные сегодня как короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами (clustered regularly interspaced short palindromic repeats

, CRISPR), входят в систему, которая возникла у бактерий в ходе эволюции, чтобы отражать атаки вирусов. Даудна и Шарпантье придумали способ задействовать эту систему для редактирования геномов и в 2020 году получили за свое открытие Нобелевскую премию по химии.

В системе CRISPR палиндромные повторы разделяют короткие фрагменты ДНК, которые соответствуют вирусам, инфицировавшим бактерию в прошлом. Вместе с другими молекулами, закодированными геномом бактерии (CRISPR-ассоциированные белки, они же Cas), эти фрагменты составляют адаптируемую иммунную систему бактерии. Представьте себе армию, поднятую по боевой тревоге, причем у каждого солдата в руках флаг, обозначающий его цель. Cas-белки – это солдаты, а флаги – последовательности между повторами, то есть последовательности, соответствующие заразным вирусам. Если в бактерию вторгнется новый вирус с последовательностью, очень похожей на любой флаг, последовательность (флаг) свяжется с этим вирусом, а Cas-белок порежет его на куски и обезвредит.

Даудна и Шарпантье работали с Cas-белком под названием Cas9, который в ходе эволюции начал вырабатываться у стрептококков, и придумали, как сделать флаг, который направит Cas-белок к желаемой геномной цели, из любой

последовательности. Если, скажем, я хочу разрезать ген ПГ в геноме помидора, я создаю последовательность-проводник (флаг), опираясь на свои знания о составе последовательности гена ПГ. Когда я введу свою последовательность-проводник и Cas-белок в клетку, Cas9 доставит ее к гену ПГ. Там моя последовательность свяжется с такой же последовательностью гена ПГ, а Cas9 разрежет ДНК – точно так же, как Fok1 режет ДНК при применении ЦПН и TALE-нуклеаз. Однако, в отличие от ЦПН и TALE-нуклеаз, последовательности-проводники CRISPR дешевы и их просто проектировать, поскольку они состоят не из искусственных белковых комплексов, а из букв ДНК. Кроме того, они меньше и доставлять их в клетку несколько проще. А еще они гибче. В дальнейшем были открыты и другие Cas-белки с самыми разными способностями – например, они режут только одну цепь ДНК или связываются с ДНК, но ничего не разрезают, а просто остаются на месте и подавляют экспрессию гена. Теперь, когда у нас есть инструменты редактирования генома на базе CRISPR, генным инженером может стать каждый.

Технологии программируемого разрезания ДНК преобразили ландшафт генной инженерии. Сегодня мы можем не просто вставлять ДНК в заданное место генома, но и изымать отдельные буквы ДНК, а также находить, взламывать и отключать конкретные гены. Точное редактирование генома снижает количество непредсказуемых последствий генной инженерии, поскольку сводит к минимуму вероятность, что разрез будет сделан не в одном месте генома, а в нескольких. Однако, что примечательно, единственное, что делают эти программируемые нуклеазы – это ищут и иногда разрезают последовательности ДНК. Когда ДНК уже разрезана, генные инженеры применяют различные приемы, чтобы проверить, действительно ли желаемое редактирование состоялось. А тут не всегда все идет по плану.

Случайная трансгенность

Когда биотехнологическая компания Recombinetics решила создать безрогих голштинцев, она намеревалась изменить геном только в одном месте – заменить одну версию гена другой. Задача создать что-то новое не ставилась. Комолый аллель, создающий безрогий фенотип, возник у коров в ходе эволюции много сотен, а то и тысяч лет назад. В компании понимали, что комолый аллель можно внедрить голштинцам при помощи традиционной селекции, но это приведет к потере качества голштинской породы как молочной, и на восстановление потребуется несколько поколений. Идеальным решением была точная генная инженерия при помощи программируемой нуклеазы. А поскольку и сам аллель, и его фенотип были прекрасно описаны и уже занимали место в пищевой цепочке, можно было рассчитывать, что Управление по контролю за продуктами питания и лекарствами почти наверняка согласится присвоить генно-отредактированным голштинцам статус «признанный безвредным».