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.
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.
