Трещина в мироздании. Редактирование генома. Невероятная технология, способная управлять эволюцией

Проводя опыты для серии статей, которые мы опубликовали в 2011–2012 годах, мы еще лучше поняли механику этого процесса. Используя мощь электронного микроскопа и тесно сотрудничая с профессором Беркли Эвой Ногалес и ее постдоком Гейбом Ландером, мы получили первые изображения структуры Cascade[71] в высоком разрешении. Эти изображения показали, что структура Cas-белков и молекул РНК CRISPR спиралеобразная; можно было наблюдать, как микроскопическая машина плотно оборачивалась вокруг вирусной ДНК, подобно питону, обвивающему газель. Мы были поражены, увидев, как красиво менялась ее трехмерная форма для выполнения геометрической задачи, необходимой для нацеливания на ДНК. Мы также осознали важность взаимодействий, способствующих образованию пар оснований и позволяющих “буквам” РНК CRISPR распознавать комплементарные “буквы” вирусной ДНК; мы обнаружили, что Cascade действует удивительно точно, прикрепляясь только к тем мишеням на вирусной ДНК, которые полностью или практически полностью совпадают с РНК CRISPR. Столь высокая разборчивость позволяла Cascade избегать случайного нацеливания на собственную ДНК бактерии и ее уничтожения – катастрофического аутоиммунного события, которое бы вызвало быструю смерть клетки.

Дополнительные исследования в литовской лаборатории Виргиниюса Шикшниса показали, каким образом фермент Cas3 уничтожает вирусную ДНК, которую Cascade выбрала в качестве мишени[72]. В отличие от более простых нуклеаз, Cas3 не надрезал ДНК один раз, а “разжевывал” ее на сотни кусочков. Как только Cascade отправляла Cas3 к месту, где последовательности РНК CRISPR и вирусной ДНК совпадают, Cas3 начинал двигаться вперед и назад вдоль генома фага со скоростью свыше трех сотен пар нуклеотидов в секунду, нарезая ДНК и превращая длинный геном фага в беспорядочную кучу обломков. Если более простые нуклеазы можно уподобить секатору, то Cas3 уместно сравнить с механизированными садовыми ножницами. Его скорость и эффективность поражают.

По мере того как наши коллеги делали эти удивительные открытия, а моя лаборатория продолжала получать новые биохимические и структурные данные, загадочный поначалу механизм работы CRISPR обретал ясность: становилось видно, какие молекулы входят в его состав и что они делают. Однако в то же время мы начинали осознавать, что иммунная система CRISPR представляет собой нечто вроде движущейся цели: существует не одна система, а множество ее вариаций. Некоторые ученые, включая Евгения Кунина и Киру Макарову, это уже предсказывали, сравнивая различные наборы cas-генов, примыкающих к последовательностям CRISPR; мы же открыли это явление благодаря резко возросшему количеству геномов бактерий и архей, которые к тому времени секвенировали исследователи, имевшие доступ к более совершенным инструментам. Иммунные системы CRISPR оказались очень разнообразными, и их можно было сгруппировать во множество различных категорий – у каждой свой уникальный набор cas-генов и Cas-белков.

Мы были поражены тем, насколько велико разнообразие CRISPR. В 2005 году исследователи идентифицировали девять различных типов иммунных систем CRISPR[73]. К 2011-му это число снизилось до трех – однако считалось, что в эти обширные типы входит десять подтипов[74]. А к 2015 году классификация снова поменялась: теперь она состояла из двух обширных классов, включающих шесть типов и девятнадцать подтипов[75].

Эти открытия поместили наше собственное исследование в общий контекст – и сделали очевидными ограничения нашей работы. Результаты, которые мы получали, изучая E.coli и P. aeruginosa, были справедливы только для двух подтипов систем CRISPR, которые, в свою очередь, входили в категорию иммунных систем CRISPR-Cas I типа. В то время как многие выводы наших исследований были применимы и к другим подтипам систем CRISPR, становилось все сложнее сравнивать наши данные с результатами исследования бактерий с CRISPR-системами II типа, наподобие S. thermophilus – бактерии, благодаря которой образуется йогурт и на примере которой впервые было показано существование основанного на CRISPR иммунитета.