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

Хотя по результатам секвенирования ДНК всегда можно подтвердить факт редактирования генома, прелесть использования гена TYR в качестве мишени заключалась в том, что ученые могли увидеть результаты своих экспериментов воочию. Простой подсчет числа черных (тех, у которых редактирования генома не произошло) и белых (тех, чей геном оказался отредактирован) мышат дал удивительно точную оценку эффективности CRISPR. Кроме того, аналогичным способом можно было следить за изменением этой эффективности во времени, по мере того как в различных лабораториях оптимизировали строение и создание CRISPR-систем. В работе техасцев только 11 % потомства родителей, чьи зиготы были отредактированы, были полными альбиносами, и немалое количество мышат на фотографиях этих пометов были черно-белыми – и порой черного у них в шерсти было заметно больше, чем белого. Не прошло и года, как исследовательский коллектив из Японии повторил эти эксперименты с минимальными изменениями методики и добился эффективности в 97 %[87]: шерсть тридцати девяти из сорока мышат сияла белизной, а пигментов в радужке не было. Всего за несколько недель ученые точно заданным образом навсегда изменили генофонд целого поколения мышей (и всех их будущих потомков) – таким образом, каким это никогда не задумывала природа.

Генные нокауты – лишь один из множества подходов к редактированию генома, которые ученые довели до совершенства с помощью CRISPR. Нередко генным инженерам требуется нечто более точное, чем неспецифическое внедрение мутаций в ген за счет случайных вставок или делеций нуклеотидов ДНК. В конце концов, главная цель редактирования генома, по крайней мере применительно к медицине, – это избавление от генетических заболеваний, абсолютное большинство которых вызывается мутациями, “выключающими” важные гены. В таких случаях генные нокауты не принесут пользы, так как у них уже есть неработающие гены – и именно они служат причиной проблем со здоровьем. Что необходимо ученым, так это способ выявлять отдельные ошибочно расположенные “буквы” ДНК, редактировать их и таким образом приводить состав генов в норму.

К счастью, клетки имеют молекулярные машины для осуществления второго типа репарации клеток, гораздо более точного и лучше поддающегося контролю, чем простое склеивание фрагментов разорванной ДНК. Вместо соединения отрезков ДНК, последовательности нуклеотидов в которых никак не связаны друг с другом, этот второй вариант репарации – цепь биохимических реакций, которую пионеры редактирования генома использовали в своих целях, – соединяет только отрезки ДНК, последовательности нуклеотидов которых частично совпадают. По причине такой избирательности процесс называют двумя синонимичными терминами: гомологичная рекомбинация и репарация, направляемая гомологией.

Гомологичная рекомбинация сходна с процессом сборки панорамного снимка из трех частично перекрывающихся фотографий. Чтобы в итоговом изображении они составляли единое целое, фотографу нужно правильно наложить бока центральной фотографии на правую сторону фото слева и левую сторону фото справа. Если середина панорамы вырезана или повреждена, фотографу достаточно взять дубликат центрального снимка и по описанному принципу восстановить панораму. А если изображаемый пейзаж в реальности изменился – например, там построили новый дом или срубили большое дерево, – фотограф в состоянии справиться и с этой ситуацией. Для этого ему нужно вставить новое центральное изображение взамен старого, используя тот же самый подход.

Получается, что ферменты внутри клетки выполняют аналогичные операции вырезания и вставки, но вместо панорамы у них ДНК. Способ репарации, о котором мы уже говорили, – соединение концов, иногда приводящее к ошибкам в последовательности нуклеотидов, – применяется, когда клетка сталкивается с такой серьезной и неотложной проблемой, как разорванная хромосома, и “на авось” заново соединяет разрезанные концы – подобно тому как фотограф склеивает панораму, в которой не хватает кусочка пейзажа. Однако когда у клетки есть и разорванная хромосома, и второй фрагмент ДНК, совпадающий с двумя разъединенными концами, – шаблон для починки, по функциям напоминающий дубликат центрального снимка из примера выше, – она выбирает лучший вариант: вставить фрагмент ДНК в разорванную хромосому, но таким образом, чтобы он без шва наложился на соответствующие концы. При реализации такой стратегии вредоносную генетическую мутацию в точке, куда нацелен CRISPR (или в непосредственной близости от нее), можно навсегда устранить, заменив новой, “здоровой” последовательностью ДНК. Пока исследователи снабжают клетку CRISPR шаблоном для репарации, последовательность которого совпадает с таковой для поврежденного гена, клетка будет добросовестно использовать выданные ей запчасти для устранения повреждений.

Гомологичная рекомбинация с CRISPR