Просто геном

Специалисты лаборатории профессора Марии Ясин, исследователя из онкологического центра имени Слоуна-Кеттеринга, стали первыми играть в эту тонкую игру, решив провести эксперименты на клетках млекопитающих в 1994 году. Остальные учёные с интересом наблюдали за новаторской работой, построенной на модели двухцепочечного разрыва. Эксперимент по редактированию генов в лаборатории Ясин был весьма изобретательным. Ее стратегия заключалась в том, чтобы ввести такой фермент в клетки мыши, который разрезал геном на части, создавая двухцепочечный разрыв; в то же время она добавляла в клетки кусочек синтетической ДНК – шаблон для восстановления – который соответствовал вырезанной последовательности ДНК. Позже она проверяла, восстановили ли клетки мыши поврежденную ДНК, подключив внедрённый шаблон. Проведя один итот же эксперимент с добавленным ферментом и без него, Ясин смогла проверить свою гипотезу: искусственно созданный двухцепочечный разрыв повышает эффективность гомологичной рекомбинации.

Задача заключалась в том, чтобы придумать такой жизнеспособный фермент, который вырезал бы геном в одном конкретном месте из миллиардов возможных. Чтобы решить эту проблему, Ясин ловко украла молекулярный кусочек у дрожжей: эндонуклеазу I-Scel. Нуклеазы – это ферменты, которые расщепляют нуклеиновые кислоты; некоторые разрезают РНК, другие ДНК.

I-Scel, которую выбрала Мария Ясин, была одной из самых специфических эндонуклеаз, известных в то время, для которой требовалось идеальное совпадение 18 последовательных букв ДНК, чтобы разрезать конкретный сегмент цепи. Выбор именно этой эндонуклеазы был вполне обоснован: если бы Ясин выбрала случайный фермент, то он бы повсеместно разрезал геном, не только затрудняя интерпретацию результатов, но и нанося вред клетке-хозяину. Однако, учитывая специфичность линии из 18 букв подряд, I-Scel вырезал бы лишь одну последовательность ДНК из более чем 50 миллиардов возможных комбинаций (по иронии судьбы, у генома мыши даже не было соответствующей последовательности букв, поэтому перед попыткой эксперимента по редактированию генов Марии Ясин пришлось вставить копию последовательности в геном, чтобы фермент мог совершить расщепление в необходимом месте).

Результаты эксперимента Ясин оказались поразительны. Ей удалось заставить 10 процентов клеток точно восстановить мутировавший ген с помощью гомологичной рекомбинации. Возможно, сейчас этот показатель покажется низким, чтобы судить об успешности проведённого эксперимента, но на тот момент это был результат, в сотни раз превышающий достигнутые ранее. Это было самым многообещающим доказательством того, что процесс может позволить учёным переписать код генома без риска незаконной рекомбинации или случайного расщепления, как в случае с использованием переносчиков-ретровирусов. Всё, что требовалось от учёных, – ввести двухцепочечный разрыв в нужном месте, и клетки практически сделают всю работу за них.

С середины 1990-х годов исследователи бросились разрабатывать новые системы, которые, как I-Scel, могли бы точно нацеливаться на конкретные последовательности букв в ДНК. Учёные знали, что если они решат эту проблему, то смогут раскрыть весь потенциал редактирования генов. К системам редактирования генов следующего поколения предъявлялось три требования: они должны были способны распознавать определенную, желаемую последовательность ДНК; они должны были иметь возможность расщепить эту последовательность ДНК; и они должны были быть легко перепрограммируемы, чтобы отправлять их в отдельные участки для расщепления различных последовательностей ДНК. Соблюдение первых двух критериев было нужно для создания двухцепочечного разрыва, а третий необходим для широкого использования инструмента. I-Scel преуспел в первых двух, но с треском провалился на третьем. Чтобы создать программируемую систему разрезания ДНК, биоинженеры решили, что им нужно будет либо переоборудовать I-Scel для нацеливания и разрезания новых видов последовательностей, либо найти совершенно новый нуклеазный фермент, который уже эволюционировал до возможности расщепления различных последовательностей ДНК.