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

Но если и было что-то более вдохновляющее, чем наблюдение за тем, как CRISPR используют едва ли во всех вообразимых организмах, так это свидетельства того, как расширяются сами границы редактирования генома. В 1980-х ученые довольствовались редактированием отдельных генов с эффективностью всего в несколько долей процента. К началу 2000-х доля успешных попыток выросла до нескольких (обычно не больше трех) процентов, плюс теперь стало возможно изменять гены еще парой новых способов. Но с появлением CRISPR редактирование генома стало давать столько разнообразных возможностей, что его начали называть геномной инженерией – этот термин отражает беспрецедентные возможности манипуляций с генетическим материалом, находящимся внутри живых клеток.

Применяя CRISPR к самым различным организмам, ученые разработали и доработали множество подходов к редактированию ДНК. В дополнение к простому разрезанию ДНК и вставке новых последовательностей в геном-мишень исследователи теперь могут выводить из строя гены, переставлять последовательности в генетическом коде и даже исправлять ошибки всего в одной “букве”, как и продемонстрировал Киран Мусунуру, когда я была у него в лаборатории. Эти достижения, в свою очередь, дали исследователям возможность проводить новые типы экспериментов на представителях царств растений и животных, включая наш собственный вид. Так что перед тем как продолжить рассказ о спектре применений редактирования генома, важно понять множество потенциальных применений этого невероятно многофункционального инструмента.

Весной 2014-го учитель шестого класса, в котором учился мой сын Эндрю, пригласил меня к ним на урок объяснить ученикам, что такое CRISPR. Я почла за честь это приглашение, но при этом волновалась: как же мне понятно рассказать о редактировании генома детям, у которых есть только самые базовые знания о ДНК?

Я решила принести с собой напечатанную на 3D-принтере модель белка Cas9 и его направляющей РНК, связанной с ДНК. Эта модель стала главным украшением моего кабинета: ее ярко-оранжевая РНК и бриллиантово-голубая ДНК сплелись с белоснежным белком в структуру размером с футбольный мяч; вместе их удерживали магниты. Я рассудила, что детали молекулярных механизмов в основе CRISPR будут сложны и неинтересны для школьников, и решила просто отдать им “футбольный мяч”, чтобы они, передавая его друг другу, смогли рассмотреть структуру вблизи.

Я недооценила любознательность школьников. Практически сразу же после того, как я отдала им модель, они нашли способ разорвать ДНК в месте, где ее разрезает Cas9, и поняли, как помещать ДНК внутрь системы CRISPR и извлекать ее оттуда. А я так волновалась, что не смогу объяснить им все эти сложные принципы!

Как я сказала ребятам, CRISPR можно представить себе как сделанные на заказ молекулярные ножницы, поскольку их основная функция – “садиться” на заданные двадцатибуквенные последовательности ДНК и разрезать обе цепи двойной спирали. Однако варианты результатов редактирования генома, которых могут добиться ученые, поразительно разнообразны. По этой причине CRISPR лучше сравнить не с ножницами, а со швейцарским ножом, множество функций которого обеспечивает одна и та же молекулярная машина.

Простейший вариант применения CRISPR одновременно и наиболее популярный: систему используют, чтобы вырезать определенный ген и затем дать клетке возможность устранить повреждение повторным соединением цепей ДНК. Этот неточный и чреватый ошибками процесс оставляет явные следы – короткие вставки или делеции ДНК (инделы), стоящие по бокам от последовательности, вырезанной CRISPR. Даже несмотря на то, что ученые не в состоянии контролировать, как именно пройдет процесс репарации ДНК в каждом конкретном случае использования CRISPR, они понимают, насколько полезным может быть такой вариант редактирования генома.

В конце концов, гены – всего лишь носители информации, что-то вроде чертежей здания; цель редактирования генома состоит не в том, чтобы просто изменить чертеж, а в том, чтобы поменять форму здания, которое вы собираетесь построить. Во многих случаях это означает изменение структуры белков, которые кодируются генами и производятся клетками при экспрессии этих генов.