banner banner banner banner

Генетические ножницы для редактирования кода жизни. За что дали Нобелевскую премию по химии 2020

Две блестящие исследовательницы объединили свои усилия, чтобы создать потрясающий воображение инструмент, перевернувший всю науку о жизни

Генетические ножницы для редактирования кода жизни. За что дали Нобелевскую премию по химии 2020
Эммануэль Шарпантье и Дженнифер Дудна Фото из открытых источников

Две блестящие исследовательницы объединили свои усилия, чтобы создать потрясающий воображение инструмент, перевернувший всю науку о жизни

Нобелевская неделя достигла своего экватора. Сегодня стали известны имена лауреатов в области химии. Впервые за более чем столетие эту награду  разделили между двумя женщинами. 1,1 млн долл. достались француженке Эммануэль Шарпантье и американке Дженнифер Дудне, которые, объединив усилия, совершили переворот в генетике и в науках о жизни в целом. Две ученые разработали революционную технологию редактирования генома, которая позволяет с потрясающей точностью делать разрезы в ДНК. Как им это удалось? Приводим вольный перевод пояснения Нобелевского комитета.

Эммануэль Шарпантье и Дженнифер Дудна удостоены Нобелевской премии по химии 2020 года за открытие одного из самых острых инструментов генной инженерии: генетических ножниц CRISPR-Cas9. Исследователи могут использовать их для изменения ДНК животных, растений и микроорганизмов с чрезвычайно высокой точностью. Эта технология произвела революцию в науке о жизни на молекулярном уровне, открыла новые возможности для селекции растений, внесла вклад в инновационные методы лечения рака и может воплотить мечту о лечении наследственных болезней.

Одно из преимуществ науки состоит в том, что она непредсказуема: никогда нельзя заранее знать, к чему может привести идея или вопрос. Иногда любопытный ум заходит в тупик, иногда – в сложный лабиринт, на поиск выхода из которого уйдут годы. Но время от времени наука дает почувствовать себя первым человеком, который когда-либо смотрел на горизонт невероятных возможностей.

Редактор генов под названием CRISPR-Cas9 – одно из таких неожиданных открытий, а от его потенциала захватывает дух. Когда Эммануэль Шарпантье и Дженнифер Дудна начали исследовать иммунную систему бактерии Streptococcus, одной из их вероятных целей была разработка новой формы антибиотика. Вместо этого коллеги-ученые создали молекулярный инструмент, с помощью которого можно делать точные надрезы в генетическом материале, что позволяет легко изменять код жизни.

Мощный инструмент, влияющий на всех

Спустя восемь лет после своего открытия, эти генетические ножницы изменили науку о жизни. Биохимики и клеточные биологи теперь могут легко исследовать функции разных генов и их возможную роль в развитии болезней. Применительно к растениям, исследователи при помощи этих ножниц могут придать им специфические характеристики, такие как способность выдерживать засуху в жарком климате. В медицине этот редактор генов участвует в разработке новых методов лечения рака и первых исследований, направленных на лечение наследственных заболеваний.

Существует почти бесконечное количество примеров использования CRISPR-Cas9, в том числе довольно неэтичных. Как и в случае со всеми мощными технологиями, применение генетических ножниц необходимо регулировать. Подробнее об этом позже. А пока вернемся в прошлое, когда в 2011 году ни Эммануэль Шарпантье, ни Дженнифер Дудна не догадывались, что первая встреча в кафе в Пуэрто-Рико так сильно изменит их жизнь. Мы начнем с представления Шарпантье

Болезнетворная бактерия очаровывает Шарпантье

Некоторые называют ее целеустремленной, внимательной и дотошной. Другие говорят, что Эммануэль Шарпантье всегда ищет чего-то неожиданного. Сама она цитирует Луи Пастера: "Фортуна улыбается только тем, кто к этому готов". Стремление к новым открытиям и желание быть свободной и независимой вели ее по выбранному пути. Вместе с учебой в докторантуре Института Пастера в Париже, она успела пожить в пяти разных странах и семи городах, а таже поработать в десятке учреждений.

Менялись окружение и подходы ученой, но большинству ее исследований был присущ общий знаменатель – патогенные бактерии. Почему они такие агрессивные? Как они развивают устойчивость к антибиотикам? И можно ли найти новые методы лечения, которые остановят их развитие?

В 2002 году, когда Эммануэль Шарпантье основала собственную исследовательскую группу в Венском университете, она сосредоточилась на одной из бактерий, наносящих наибольший вред человечеству: Streptococcus pyogenes – стрептококк пиогенный. Ежегодно он заражает миллионы людей, часто вызывая легко поддающиеся лечению инфекции, такие как тонзиллит и импетиго. Но может также вызывать опасный для жизни сепсис и разрушать мягкие ткани в организме, из-за чего эта бактерия заслужила прозвище "пожирателя мяса".

Чтобы лучше понять S. pyogenes, Шарпантье начала с тщательного исследования того, как регулируются гены этой бактерии. И это стало первым шагом на пути к разработке генетических ножниц. Но, прежде чем мы расскажем об этом больше, давайте поближе познакомимся с Дженнифер Дудной. Потому как, пока Шарпантье подробно исследовала S. Pyogenes, Дудна впервые услышала аббревиатуру, которая ассоциативно звучала для нее, как хруст (название технологии CRISPR созвучно с английским словом crisper, "хрустящий", - ред.).

Наука столь же увлекательная, как и детективная история

Даже будучи ребенком, который рос на беззаботных Гавайях, Дженнифер Дудна испытывала сильную тягу к познанию. Однажды ее отец положил ей на кровать книгу Джеймса Уотсона "Двойная спираль". Это описанная в духе детектива история о том, как Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик открыли структуру молекулы ДНК (Нобелевская премия по физиологии и медицине за 1962 год). Рассказанное в книге было непохоже ни на что из того, что Дженнифер доводилось читать в школьных учебниках. Научный процесс буквально зачаровал ее, и девочка поняла, что наука – это не только скучные факты.

Впрочем, когда Дудна всерьез взялась за научные загадки, ее внимание привлекла не сама ДНК, а ее молекулярная сестра – РНК. К 2006 году, когда начинается наш про нее рассказ, Дженнифер уже возглавляла исследовательскую группу в Калифорнийском университете в Беркли и имела двадцатилетний опыт работы с РНК. К этому времени у ученой сложилась репутация успешной исследовательницы с чутьем на новаторские проекты. И совсем недавно она вступила в захватывающую новую область знания – РНК-интерференцию. Это механизм подавления экспрессии (то есть активности) гена на стадии трансляции (синтеза белка из аминокислот), либо нарушение транскрипции (перенос информации с ДНК на РНК) определенных генов. В системе РНК-интерференции принимают участие два типа малых молекул РНК – микроРНК и малые интерферирующие РНК. Малые РНК связываются со специфическими последовательностями других молекул РНК и снижают или реже повышают их биологическую активность.

Получается, что в течение многих лет исследователи считали, что они понимают основную функцию РНК, но внезапно обнаружилось, что существует множество небольших молекул РНК, которые помогают регулировать активность генов в клетках. И то, что Дженнифер Дудна работала над РНК-интерференцией, послужило причиной судьбоносного звонка, который она получила в 2006 году от коллеги из другого отдела.

Древняя иммунная система бактерии

Коллега-микробиолог, который звонил Дудне, рассказал ей о новом открытии: когда исследователи сравнили генетический материал совершенно разных бактерий, а также архей (еще один тип микроорганизмов), они обнаружили повторяющиеся последовательности ДНК, которые удивительно хорошо сохранились. Один и тот же код появлялся снова и снова, но между повторениями располагались уникальные последовательности, которые различались. Это можно представить как одно и то же слово, которое раз за разом повторяется после каждого уникального предложения в книге.

Эти массивы повторяющихся последовательностей назвали "короткими палиндромными повторами, регулярно расположенными группами" (на английском – clustered regularly interspaced short palindromic repeats), а сокращенно – CRISPR. Интересно то, что уникальные, неповторяющиеся последовательности в CRISPR, похоже, соответствуют генетическому коду различных вирусов, поэтому в настоящее время считается, что это одна из частей древней иммунной системы, которая защищает бактерии и археи от вирусов. Гипотеза состоит в том, что, если бактерии удалось пережить вирусную инфекцию, она добавляет часть генетического кода вируса в свой геном как память об инфекции.

Коллега тогда отметил, что никто еще не знает, как это работает, но есть подозрение, что механизм, используемый бактериями для нейтрализации вируса, аналогичен механизму, которым занималась Дудна – РНК-интерференции.

Дудна составляет план сложной машинерии

Новость оказалась одновременно замечательной и волнующей. Это весьма серьезно, если у бактерий и правда есть древняя иммунная система. Информация очень заинтриговала исследовательницу, и она вплотную занялась изучением системы CRISPR.

Оказалось, что в дополнение к последовательностям CRISPR исследователи обнаружили особые гены, которые они назвали CRISPR-ассоциированными, сокращенно Cas. Дудне показалось весьма любопытным, что эти гены очень похожи на гены, кодирующие уже известные белки, которые специализируются на раскручивании и разрезании ДНК. Возникли два больших вопроса – имеют ли белки Cas ту же функцию и расщепляют ли они вирусную ДНК?

Исследовательская группа американки взялась за работу, и через несколько лет ученым удалось раскрыть функцию нескольких различных белков Cas. Параллельно с этим несколько других исследовательских групп в других университетах изучали недавно открытую систему CRISPR-Cas. Их картирование показало, что иммунная система бактерий может принимать самые разные формы. Система CRISPR-Cas, которую изучала Дудна, относится к классу 1 – это сложный механизм, которому для обезвреживания вируса требуется множество различных белков Cas. Для сравнения, системы класса 2 значительно проще, потому что им нужно меньше белков.

В это же время в другой части мира с такой же системой столкнулась Эммануэль Шарпантье. Так что снова вернемся к ней.

Новый, неизученный фрагмент головоломки под названием система CRISPR

Когда мы покинули Эммануэль Шарпантье, ученая жила в Вене. Но в 2009 году она перешла работать в университет Умео на севере Швеции. Новая должность открывала перед ней хорошие исследовательские возможности. Но ее отговаривали от такого переезда, ведь ей предстояло перебраться в довольно отдаленный уголок мира. Тем не менее, долгая и темная зима дала исследовательнице вдоволь тишины и покоя, необходимых ей для работы.

К этому времени Шарпантье также заинтересовалась малыми молекулами РНК, чья задача регулировать гены, и, работая с исследователями в Берлине, она картировала малые РНК, обнаруженные в S. pyogenes. Результаты заставили ее задуматься, потому что одна из небольших молекул РНК, присутствующая в больших количествах в этой бактерии, оказалась еще неизвестным вариантом, и генетический код этой РНК был очень близок к специфической последовательности CRISPR в геноме бактерии.

Сходство между ними натолкнуло Щарпантье на мысль, что они связаны. Тщательный анализ их генетических кодов также показывал, что одна часть небольшой неизвестной молекулы РНК совпадает с повторяющейся частью CRISPR. Как будто два фрагмента пазла идеально сошлись.

До того Шарпантье никогда не работала с CRISPR, но ее исследовательская группа инициировала тщательную, практически детективную микробиологическую работу по картированию системы CRISPR в S. pyogenes. Эта система, которая принадлежит к классу 2, как уже было известно, требует только одного белка Cas – Cas9, для расщепления вирусной ДНК. В итоге группа Шарпантье показала, что неизвестная молекула РНК, которой дали название "трансактивирующая crispr-РНК" (tracrRNA), также выполняет решающую функцию – она необходима, чтобы длинная РНК, созданная из последовательности CRISPR в геноме, перешла в активную форму.

После интенсивных и целенаправленных экспериментов Эммануэль Шарпантье опубликовала информацию об открытии tracrRNA в марте 2011 года. Она знала, что преследует что-то крайне интересное. У нее уже был многолетний опыт работы в сфере микробиологии, и ее продолжающиеся исследования системы CRISPR-Cas9 нуждались в новом специалисте – биохимике. Это в итоге привело к тому, что Шарпантье и Дудна объединили усилия. Той же весной французскую ученую пригласили на конференцию в Пуэрто-Рико рассказать о своих открытиях. И она отправилась в дальний путь, поскольку знала, что на этом же форуме будет присутствовать ее коллега из американского Беркли, на встречу с которой нацелилась Шарпантье.

Судьбоносная встреча в пуэрториканском кафе

Так совпало, что исследовательницы встретились в кафе на второй день конференции. Будущих нобелевских лауреаток представил друг другу кто-то из коллег Дудны, и уже на следующий день Шапрантье предложила вместе прогуляться по старому городу. Судьбоносная беседа завязалась во время прогулки, когда ученые стали рассказывать друг другу о своих исследованиях. Шарпантье поинтересовалась, не хочет ли Дудна посотрудничать, не интересно ли ей участвовать в изучении функции Cas9 в простой системе класса 2 S. pyogenes?

Американку заинтриговало предложение и обе исследовательские группы стали проводить онлайн-встречи для обсуждения совместного проекта. Их предположением было, что CRISPR-РНК необходима для идентификации ДНК вируса и что Cas9 – это ножницы, которые разрезают молекулу ДНК. Однако, когда эту догадку проверили in vitro, ничего не произошло. Молекула ДНК осталась нетронутой. Почему? Что-то не так с условиями эксперимента? Или у Cas9 совсем другая функция?

После долгих мозговых штурмов и многочисленных неудачных экспериментов исследователи наконец добавили tracrRNA в свои тесты. Ранее они считали, что tracrRNA была необходима только тогда, когда CRISPR-РНК была расщеплена до ее активной формы, но как только Cas9 получил доступ к tracrRNA, на самом деле произошло то, чего все ждали – молекула ДНК была расщеплена на две части.

Развитие решений часто удивляет исследователей, но это было нечто совершенно экстраординарное. Оружие, которое создал стрептококк, чтобы защищаться от вирусов, оказалось простым и эффективным, если не сказать блистательным. На этом история генетических ножниц могла бы остановиться – Шарпантье и Дудна открыли фундаментальный механизм внутри бактерии, пичинаяющей огромные страдания человечеству. Это открытие было поразительным само по себе, но, как мы помним, Фортуна улыбается тем, кто к этому готов.

Эпохальный эксперимент

Исследовательницы решили попытаться упростить генетические ножницы. Используя свои новые знания о tracrRNA и CRISPR-РНК, они придумали, как объединить их в одну молекулу, которую они назвали гидовой РНК. С помощью этого упрощенного варианта генетических ножниц Шарпантье и Дудна со своими командами провели эпохальный эксперимент – исследовали, смогут ли они контролировать новый инструмент так хорошо, чтобы он разрезал ДНК ровно в том месте, которое определили ученые.

К этому времени они обе уже знали, что близки к большому прорыву. Поэтому ученые взяли ген, хранившийся в морозильной камере в лаборатории Дудны, выбрали пять разных участков, где хотели бы его расщепить, а затем модифицировали CRISPR-часть ножниц так, чтобы ее код совпадал с кодом, в котором должны быть сделаны разрезы. Результат ошеломил – молекулы ДНК были расщеплены именно в нужных местах.

Генетические ножницы совершают переворот в науке о жизни

Вскоре после того, как в 2012 году Эммануэль Шарпантье и Дженнифер Дудна сообщили об открытии генетических ножниц CRISPR-Cas9, несколько исследовательских групп продемонстрировали, что этот инструмент можно использовать для изменения генома в клетках как мышей, так и людей, за чем последовало взрывное развитие. Раньше изменение генов в клетке, растении или животном занимало много времени, а иногда и вовсе было невозможным. Использование генетических ножниц позволило исследователям разрезать любой геном, какой они пожелают. После этого можно легко использовать естественные системы клетки для восстановления ДНК, чтобы они переписали код.

Поскольку этот генный инструмент настолько прост в использовании, теперь он широко используется в фундаментальных исследованиях. Он используется для изменения ДНК клеток и лабораторных животных с целью улучшить понимание того, как функционируют и взаимодействуют разные гены, например, в ходе болезни.

Генетические ножницы также стали стандартным инструментом в селекции растений. Методы, ранее использовавшиеся исследователями для модификации геномов растений, часто требовали добавления генов устойчивости к антибиотикам. Но это создавало риск распространения такой устойчивости на окружающие микроорганизмы. Благодаря генетическим ножницам исследователям больше не нужно использовать эти старые методы, поскольку теперь они могут вносить очень точные изменения в геном. Среди прочего, они отредактировали гены, которые заставляют рис поглощать тяжелые металлы из почвы, что привело к созданию улучшенных сортов риса с более низким содержанием кадмия и мышьяка. Исследователи также разработали культуры, которые лучше переносят засуху в жарком климате и устойчивы к насекомым и вредителям, с которыми в противном случае пришлось бы бороться при помощи пестицидов.

Надежда излечить наследственные болезни

В медицине генетические ножницы вносят свой вклад в новые иммунотерапевтические методы лечения рака, и в настоящее время проводятся испытания, чтобы воплотить в жизнь мечту о победе над наследственными болезнями. Исследователи уже проводят клинические испытания, чтобы выяснить, можно ли использовать CRISPR-Cas9 для лечения заболеваний крови, таких как серповидноклеточная анемия и бета-талассемия, а также наследственных заболеваний глаз.

Они также разрабатывают методы починки генов в крупных органах, таких как мозг и мышцы. Эксперименты на животных показали, что специально разработанные вирусы могут доставлять генетические ножницы к нужным клеткам, лечить модели разрушительных наследственных заболеваний, таких как мышечная дистрофия, спинальная мышечная атрофия и болезнь Хантингтона. Однако перед тем, как перейти к испытаниям на людях, технологию все же необходимо еще доработать.

Сила генетических ножниц требует регулирования

Генетические ножницы дают массу преимуществ, но наряду с ними существует также риск злоупотребления этой выдающейся технологией. Например, этот инструмент можно использовать для создания генетически модифицированных эмбрионов. Однако в течение многих лет существовали законы и регуляторные акты, контролирующие применение генной инженерии. Среди них – запрет на редактирование генома человека таким образом, чтобы внесенные изменения передавались по наследству. Кроме того, эксперименты с участием людей и животных всегда должны быть проверены и одобрены этическими комитетами еще до их начала.

Одно можно сказать наверняка: созданные Эммануэль Шарпантье и Дженнифер Дудной генетические ножницы повлияют на всех нас. Мы столкнемся с новыми этическими проблемами, но этот новый инструмент вполне может поспособствовать решению многих проблем, с которыми сейчас сталкивается человечество. Благодаря своему открытию отмеченные Нобелевской премией исследовательницы разработали химический инструмент, который вывел науки о жизни в новую эпоху. Они заставили нас увидеть обширный горизонт невообразимого потенциала, и по мере того, как мы будем исследовать эту новую территорию, мы гарантированно сделаем новые и неожиданные открытия.

Источник: 112.ua

видео по теме

Новости партнеров

Loading...

Виджет партнеров

d="M296.296,512H200.36V256h-64v-88.225l64-0.029l-0.104-51.976C200.256,43.794,219.773,0,304.556,0h70.588v88.242h-44.115 c-33.016,0-34.604,12.328-34.604,35.342l-0.131,44.162h79.346l-9.354,88.225L296.36,256L296.296,512z"/>