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

Экспрессия генов – это процесс, в ходе которого не имеющие значения по отдельности “буквы” ДНК дают начало функциональным белкам в соответствии с центральной догмой молекулярной биологии. Сначала в ядре клетки создается временная копия информации с ДНК, именуемая матричной РНК (или мРНК). Как и цепочка ДНК, мРНК представляет собой последовательность нуклеотидов, и она совпадает с таковой для ДНК, которую она воспроизводит (с единственным значимым отличием – тимины (Т) заменены на урацилы (У)). Матричная РНК выводится из клеточного ядра и доставляется к фабрике по производству белков под названием рибосома, а рибосома переводит информацию с основанного на четырех буквах (А, Г, Ц и У) языка РНК на язык белков, алфавит которого состоит из двадцати букв (различных аминокислот). Перевод производится согласно генетическому коду – шифру, в котором каждая тройка “букв” РНК, называемая кодоном, указывает рибосоме, какую одну аминокислоту ей добавить к уже имеющейся цепочке. (Поскольку различных кодонов 64, а аминокислот, которые надо закодировать, только 20[85], многие аминокислоты обозначаются несколькими кодонами, а три кодона служат сигналами остановки, обрывающими синтез белка.) Рибосома собирается на одном конце мРНК и, начиная с него, без пропусков читает один за другим кодоны в составе этой молекулы, добавляя необходимые согласно “правилам перевода” аминокислоты к растущему белку до тех пор, пока не достигнет противоположного конца мРНК; процесс во многом похож на сборку автомобиля на конвейере. Для корректной работы этой системы критически важно, чтобы рибосома работала только с правильной трехбуквенной рамкой считывания; даже минимальный сдвиг этой рамки способен привести к катастрофическим последствиям для процесса трансляции.

Чтобы лучше это понять, представьте себе, что из предложения “Собака тяпнула почтальона за ногу” убрали первую букву и заново разбили предложение на “слова” прежней длины. У вас получится бессмысленное “Обакат япнулап очтальоназ ан огу”. Если рибосома сделает нечто подобное при чтении генетического кода, она соберет на основе искаженного бессмысленного сообщения совершенно неправильную последовательность аминокислот. Ну а если, предположим, получившаяся каша из символов РНК содержит один из трех вариантов стоп-кодонов, процесс трансляции прервется раньше времени. Экспрессия генов нарушится.

Отсюда следует главное свойство CRISPR как средства редактирования генома: он может нарушить способность гена служить источником информации для создания функционирующего белка. Если в отредактированном CRISPR гене появится небольшая вставка или удаление (делеция), структура мРНК, которая была произведена на основе информации от этого гена, также будет нарушена. В большинстве случаев эти лишние или недостающие “буквы” нарушат четкую структуру элементов генетического кода, сгруппированного в тройки, так что белок окажется либо совершенно не таким, каким должен быть, либо, что гораздо вероятнее, вообще не синтезируется. В любом случае белок не сможет корректно выполнять свои функции. Генетики называют это явление “нокаут гена” (KO), по аналогии с боксом: ген тут успешно “вырубили”, и он больше ничего не способен сделать.

Нокаут генов с помощью CRISPR

Когда специалисты по генетике животных начинали использовать CRISPR, они собирались создать четко проявляющие себя генные нокауты. Одной из их излюбленных мишеней был ген под названием TYR. Он возник более полумиллиарда лет назад и широко распространен среди животных, растений и грибов; этот ген кодирует белок тирозиназу, участвующий в процессе синтеза меланина – важного пигмента. Мутации TYR у людей приводят к недостаточности тирозиназы и вызывают кожно-глазной альбинизм I типа – генетическое нарушение, для которого характерны дефекты зрения, бледная, слабо пигментированная кожа и красные глаза. Если CRISPR запрограммировать на редактирование мышиной версии гена TYR, то вызовет ли его действие альбинизм у мышей? В 2014 году коллектив ученых из Техасского университета спроектировал версию CRISPR, атакующую двадцатибуквенную последовательность ДНК в гене TYR, и ввел ее в оплодотворенные мышиные яйцеклетки[86]. Развившиеся из них грызуны поразили ученых: хотя все их родители имели шерстку нормального темного цвета, многие мышата родились с красными глазами и абсолютно белой шкуркой. Такой результат можно было объяснить только мутациями в ДНК, нарушившими дешифровку гена TYR. Изменение цвета кожи, шерсти и глаз мышей было именно таким четким признаком нокаутирования гена, как того и хотели исследователи.