Редактирование ДНК

Увлекательный рассказ об устройстве ДНК, умениях молекулы ошибаться и исправлять ошибки, а также перспективном способе исследования генов CRISPR/Cas9. В гостях у ведущего передачи «Вопрос науки» Алексея Семихатова побывал Константин Викторович Северинов, специалист в области молекулярной биологии, профессор Сколковского института науки и технологий, профессор Ратгерского университета (Нью-Джерси, США), заведующий лабораториями в Институте молекулярной генетики РАН и Институте биологии гена РАН.

Все наше существование построено на механизме деления клеток. Драйвером этого процесса является молекула ДНК. Многие из вас видели ее изображение и думают, что понимают принцип работы. Язык ДНК состоит всего из четырех букв: А, Г, Ц и Т. Но эта последовательность повторяется много-много раз, каждый из нас описан текстом приблизительно из 3 млрд букв. При этом в текстах двух разных людей около 30 млн отличий.

Структура ДНК описывает, как клетки могут делиться и передавать информацию друг другу, а потом в поколения — все дальше, и дальше, и дальше. Клетка в данном случае — это некая машина, которая позволяет ДНК существовать и делиться. Есть даже оригинальная теория, считающая нас с вами просто способом деления генов. Единственное, что мы передаем своим детям, кроме знаний, денег, домов и т. д., единственно важное — это наша ДНК.

Однако при копировании столь длинных текстов неизбежны ошибки. И это хорошо. Если бы не было ошибок, то все люди были похожи друг на друга. А скорее всего, наше место до сих пор занимали бы те самые две первые бактерии, от которых пошла вся жизнь на Земле.

Вся существующая жизнь столь разнообразна и прекрасна именно за счет ошибок, которые с неизбежностью возникают при копировании ДНК. Мы все — продукт долгоиграющего испорченного телефона. Некоторые искажения оказываются удачными, а о неудачах мы ничего не знаем, потому что они не оставляют потомства. Все эти ошибки называются мутациями.

Большая часть мутаций скорее вредна, чем полезна. Или даже сильно вредна и быстро приводит к нежелательным последствиям. Дарвиновский механизм отбора позволяет обеспечить ровно тот уровень мутаций или ошибок, который необходим. Например, у вирусов, бактерий и нас с вами при репликации, при размножении наших генетических книг, наших ДНК — частота ошибок разная. Какая? Ответ: такая, которая нужна, чтобы обеспечить достаточный уровень изменчивости в поколениях. Чтобы мы успевали приспосабливаться к меняющимся условиям…

Однако первичную работу над ошибками ДНК проводят сами клетки. Нобелевская премия по химии 2015 года вручена как раз за исследования в области изучения методов репарации ДНК. Клетки делают это посредством белков, которые закодированы в нашей же ДНК. В этом смысле здесь есть некоторое сумасшествие, потому что книга ДНК и сама себя исправляет, и сама в себе ошибки делает.

Если какой-нибудь из механизмов репарации не работает, то возникают ситуации, когда человек просто не может выйти на солнечный свет. Потому что на свету мутации накапливаются с чудовищной скоростью. Потому что ультрафиолет поглощается ДНК, и, как следствие, в ДНК возникают мутации. Это не связано с копированием, это связано с тем, что пришел кто-то и в вашей книжке клякс наставил.

Благодаря исследованиям репарации клеток открыта новая революционная технология CRISPR/Cas9. Пользуясь аналогией, она позволяет стирать кляксы. Нужно себе представить, что каждый из нас возник из одной клетки, когда папин сперматозоид оплодотворил мамину яйцеклетку. Поэтому каждый ген у нас присутствует в количестве двух копий. Большинство генетических заболеваний связано с тем, что одна из копий имеет сбой. И это тот случай, когда книга сама себя не лечит, потому что с ее точки зрения все в порядке.

CRISPR/Cas9 — это специальный белок, который может разорвать связь между копиями генов, своеобразный молекулярный скальпель. Это немедленно включит механизм репарации молекулы, она будет стремиться восстановить целостность. И наша задача сделать так, чтобы вместо сбойной копии была подставлена здоровая.

Ноу-хау мы подглядели у бактерий. Они очень древние, долго эволюционировали и смогли накопить массу всяких интересных прибамбасов, которые позволяют им бороться, в частности, с вирусами. Потому что жизнь бактерий тяжела, вирусов у них много, и вирусы хотят их убивать. В ответ бактерии научились захватывать фрагменты ДНК вирусов и встраивать их в свою ДНК.

Система CRISPR/Cas9 используется бактериями следующим образом. Соответствующий белок плавает по бактериальной клетке и примеряется к разным молекулам РНК и ДНК. Если образец соответствует «памяти» клетки и определяется как вирус, то белок приклеивается к заразе и режет связи между генами. Механизм похож на прививки, но это прививки на уровне нуклеиновых кислот.

В отвлечении от бактерий и вирусов эта система позволяет нам адресовать белок, умеющий раскусывать молекулы ДНК, в любое нужное место. Это некая машина, которая позволяет в огромной книге найти правильное место по образцу. Он просто внимательно все просматривает и делает это очень быстро, потому что молекулярные процессы быстрые. Нашли — раскусили. Не нашли — ну, извините, все хорошо!

Таким образом уже сейчас можно работать с бактериями, можно делать трансгенных животных. Делали таким образом излеченных или измененных рыб. Недавно были опыты с человеческими эмбрионами.

Проблема в том, что, если слова есть хоть чуть-чуть похожие, вы можете их ошибочно раскусить. А всегда не точно похожих слов — достаточно. Кроме того, для опытов над людьми такой метод не годится. Дефект можно исправить только в одной клетке, а генетический дефект записан сразу во всех 10 трлн клеток, из которых мы состоим.

Тем не менее способ направленно менять гены открывает небывалые перспективы перед наукой. До сих пор генетики работали следующим образом: вы бросаете генетическую бомбу, вы облучаете радиацией организм, вы что-нибудь такое ужасное делаете и отбираете всех, кто выжил, и среди них смотрите, что там такое. Теперь можно воздействовать на каждый конкретный ген и следить за результатами. А генов у нас много — 20 000.