Редактируя человечество: Революция CRISPR и новая эра изменения генома

Бактерии хорошо нас понимают. Они постоянно сталкиваются с атаками со стороны бактериофагов – вирусов, которые заражают исключительно бактерии. На планете Земля существует непостижимое количество бактериофагов (10 нониллионов (10^-10)!), то есть по одному триллиону на каждую песчинку[65]. «Не спрашивайте меня, как люди получают это число, но я им верю», – говорит Марраффини[66]. Если расположить эти субмикроскопические фаги вплотную друг к другу, эта цепочка растянется на 200 млн световых лет[67]. Под электронным микроскопом многие из них выглядят довольно угрожающе, напоминая нечто среднее между лунным посадочным модулем и пауком, лапы которого растопырены, чтобы зацепиться за поверхность клетки. Другие обладают невинным очарованием круглого леденца на палочке с длинным хвостом. После присоединения вирус вводит в бактериальную клетку свой собственный генетический материал, короткую цепочку ДНК или ее двоюродную химическую сестру, РНК, используя механизмы синтеза белка бактериальной клетки. За 20–30 минут десятки и сотни заново скомпонованных вирусных потомков вырываются из уже погибшей клетки, подобно полчищу Чужих, вырвавшихся из живота Джона Хёрта. «Клетки взрываются, они лопаются, как воздушные шары», – говорит Марраффини.

Окруженные потенциальными фаговыми захватчиками, бактерии развили множество защитных систем, чтобы отслеживать и уничтожать эту угрозу. Когда я изучал биохимию в 1980-х гг., нам рассказывали, что бактерии обладают целой армией нуклеаз – высокоактивных ферментов, которые распознают и атакуют определенные мотивы чужеродной ДНК. (Последовательности ДНК самих бактерий защищены от этих нуклеаз химическими метками, подобно тому как розетки закрыты от детей специальными крышками). Ученые использовали эти ферменты ограничения как средство для разрезания, обмена или «сшивания» (лигирования) фрагментов ДНК, например помещая гены человека в ДНК бактерии, что положило начало развитию отрасли биотехнологии. Но, как мы убедимся далее, теперь мы знаем, что бактерии обладают еще и другой иммунной системой. CRISPR – это небольшой участок бактериального генома, который содержит фрагменты захваченного вирусного генома для дальнейшего использования, причем каждый такой фрагмент (или спейсер) отделен от другого одинаковыми повторяющимися палиндромными последовательностями ДНК. Представьте себе это как картотеку ФБР, в которой хранятся данные о разыскиваемых преступниках.

CRISPR – это больше, чем просто хранилище вирусных злодеяний. Совсем рядом находится арсенал мощной системы противоракетной обороны «земля – воздух». Когда клетка обнаруживает вторгшийся вирус, первым делом активируется система CRISPR, производящая копии РНК заархивированных вирусных последовательностей. Эта цепочка РНК затем разрезается на отдельные фрагменты, каждый из которых соответствует тому или иному вирусу и служит в качестве наброска внешности возможного преступника, сделанного полицейским художником. Сама по себе РНК не может причинить никакого вреда, поэтому она превращается в оружие путем связывания с ферментом, расщепляющим ДНК, называемым Cas (от англ. CRISPR-associated sequence – «последовательность, связанная с CRISPR»), образуя рибонуклеопротеиновый комплекс, оснащенный сигналом GPS и готовый к бою.

В микроскопической вселенной существует полдюжины разновидностей или типов систем CRISPR, которые делятся на два класса в зависимости от их строения и свойств[68]. Одна из простейших структур – тип II – содержит фермент Cas9. Эта нуклеаза, подобно кусачкам для проводов, добивается полноценного разрыва обеих цепей ДНК, но делает это избирательно. Она захватывает крРНК и держит ее как фотоснимок преступника – и ищет совпадения в вирусной ДНК. При обнаружении необходимого участка Cas9 и крРНК «защелкиваются» на ДНК и разрезают ее, нейтрализуя угрозу. «Cas9 поистине творит чудеса, – объясняет Урнов. – Когда она охраняет внутриклеточное пространство от вторжений, она буквально носит с собой копию объявления о разыскиваемом преступнике, спрашивая каждого: "Извините, ведь вы – точная копия разыскиваемого преступника, не правда ли? Тогда я вас порежу"»[69].

Фаги и каскад реакций CRISPR. (А) Замечен в момент совершения преступления: фаги садятся на поверхность клетки E. coli (кишечной палочки), чтобы совершить нападение. (Б) CRISPR-Cas-иммунитет. 1. Бактерия захватывает фрагменты вирусной ДНК и включает эти фрагменты как спейсеры в расширяющийся блок последовательностей CRISPR. 2. Для борьбы с фаговой инфекцией массив CRISPR транскрибируется в РНК, которая называется (пре-крРНК), а затем преобразуется в зрелые крРНК. 3. На стадии противодействия крРНК и Cas белок(и) образуют комплекс, который разрушает распознанные фаговые последовательности. Некоторые системы CRISPR (класс 1) содержат несколько белков Cas (как показано на рисунке), в то время как более простой системе класса 2 требуется одна нуклеаза – Cas9 (по материалам пункта 15 примечаний)