Просто геном

Как именно ДНК попадала в геном? Марио Капекки, профессор Университета в штате Юта, занялся этим вопросом в начале 1980-х годов после удивительного наблюдения. Он обратил внимание на порядок следования множества копий гена, вставленных в геном. Капекки обнаружил: вместо того чтобы копии генов беспорядочно распределялись по хромосомам, они всегда группировались в одной или нескольких областях, причем многие копии накладывались друг на друга, как будто намеренно.

Капекки наблюдал эффекты процесса, называемого гомологичной рекомбинацией – хорошо известного к тому времени явления, но не того, который учёный ожидал увидеть в этом эксперименте. Гомологичная рекомбинация представляет собой тип генетической рекомбинации, при которой происходит обмен нуклеотидными последовательностями между двумя похожими или идентичными хромосомами. Это широко используемый клетками способ устранения повреждений ДНК. В наиболее известном варианте гомологичная рекомбинация происходит во время образования яйцеклеток и сперматозоидов, когда два набора хромосом, которые мы наследуем от родителей, сводятся к одному, чтобы объединиться со вторым набором. Клетки выбирают смесь отцовской и материнской хромосом; несмотря на ошеломляющую сложность смешивания, сопоставления и повторной сборки миллионов букв ДНК, клетки могут сделать это безупречно, используя гомологичную рекомбинацию. Этот же процесс происходит во всех царствах жизни; бактерии, например, обмениваются генетической информацией посредством гомологичной рекомбинации, а биологи годами используют гомологичную рекомбинацию для проведения генетических экспериментов на дрожжах.

Впоследствии Капекки построил на основе гомологичной рекомбинации генетический таргетинг – процесс, при котором в геном организма вносятся искусственные изменения. За развитие этой технологии Марио Капекки и ряд других учёных, среди них Мартин Эванс и Оливер Смитис, были удостоены в 2007 году Нобелевской премии по физиологии и медицине.

К осознанию пользы этой технологии учёные окончательно пришли спустя всего три года после исследования Капекки. Возможность целенаправленно вставлять информацию в гены стала реальностью благодаря статье, опубликованной Оливером Смитисом и его коллегами. Работая с клетками человека, полученными из опухоли, учёные намеревались заменить копии клеток гена бета-глобин искусственной рекомбинантной версией, созданной в лаборатории. Невероятно, но сработало! Это не потребовало от учёных причудливых уловок, они смешали нужную ДНК с фосфатом кальция и впрыснули ее в клетки – несколько клеток приняли чужеродную ДНК; затем соединили последовательности ДНК, встроенные в лаборатории, с соответствующими им последовательностями ДНК в геноме, и произвели некоторые молекулярные перестановки с заменой старого материала новым.

Клетки, казалось, могли сделать большую часть тяжелой работы по модификации их геномов самостоятельно. Это означало, что учёные могли привносить гены в клетки более аккуратным путём, без использования вирусов, чтобы внедрить новую ДНК в геном. Обманывая клетку, заставляя ее «думать», что рекомбинантная ДНК является просто дополнительной хромосомой, которую необходимо соединить с соответствующим геном, уже имеющимся в ее геноме, учёные могли обеспечить объединение новой ДНК с существующим генетическим кодом посредством гомологичной рекомбинации. Потенциал генетиченского таргетинга для исследований был обнадёживающим. Но Смитис знал, что гомологичная рекомбинация также может быть использована в терапевтических целях. Если бы учёные могли выполнять аналогичное нацеливание на гены в стволовых клетках крови пациента, страдающего серповидноклеточной анемией, мутировавший ген бета-глобина мог бы быть заменен нормальной, здоровой последовательностью составляющих. Но всё же учёные знали, что это открытие, бывшее тогда экспериментальным подходом, сможет быть когда-нибудь использовано для лечения болезней.

Марио Капекки – американский молекулярный генетик, лауреат Нобелевской премии по физиологии или медицине за создание и развитие метода нокаута генов

К концу 1980-х годов генетический таргетинг уже широко использовался для редактирования ДНК не только в культивируемых клетках мыши и человека, но даже и в самих живых мышах. Основополагающая работа в лаборатории Мартина Эванса продемонстрировала, что таргетинг генов в эмбриональные стволовые клетки мыши и затем введение этих модифицированных клеток обратно в эмбрионы мышей позволяет создавать живых мышей с конструктивными изменениями.