Сумма биотехнологии. Руководство по борьбе с мифами о генетической модификации растений, животных и людей - Александр Панчин

Представьте, что мы создадим генетически модифицированных комаров, не переносящих малярию из-за внесенного в их геном изменения, но способных скрещиваться с обычными малярийными комарами. Выпустив таких комаров в окружающую среду, мы сможем запустить мутагенную цепную реакцию и преобразовать популяцию опасных кровососущих насекомых в безобидных кровососущих насекомых. Новый генетический вариант со временем вытеснит старый.

Другое теоретическое применение технологии — избавление человечества от наиболее распространенных наследственных заболеваний. Мы можем не просто исправить дефект в ДНК, но сделать так, чтобы хромосома, доставшаяся ребенку от генетически модифицированного родителя, исправляла аналогичный дефект на хромосоме, доставшейся ему от второго родителя. Это значит, что можно свести к минимуму число вредных и опасных мутаций в нашей популяции и значительно уменьшить риск большинства генетических заболеваний. Однако это уже будет довольно опасный эксперимент, ведь CRISPR/Casy может не только исправить дефекты, но и внести по ошибке какие-то новые нежелательные мутации в геном.

В 2015 году ученые из лаборатории репродуктивной медицины Университета Сунь Ятсена в Китае опубликовали в журнале Protein Cell результаты изменения ДНК эмбрионов человека с помощью CRISPR/Casy системы[320]. Ученые показали, что можно направленно редактировать геном человеческих эмбриональных клеток, однако метод CRISPR/Casy был недостаточно эффективным и точным — нежелательное редактирование происходило в разных частях генома. Тем не менее принципиальная возможность генной инженерии людей таким методом была продемонстрирована.

Хотя никто не собирался выращивать генетически модифицированных людей из этих (заведомо нежизнеспособных) эмбрионов, публикация вызвала огромный общественный резонанс, и целый ряд стран ввел запреты на такое использование технологии. Тем лучше для Китая — если они достигнут успеха в этой области, то в будущем богатые люди, желающие завести генетически модифицированных детей, просто наведаются к ним «в гости» и внесут ощутимый денежный вклад в развитие китайской биомедицины.

Конечно, генная модификация людей сильно отличается от генной инженерии других организмов тем, что мы не можем позволить себе риск рождения несчастного ребенка-мутанта из-за ошибки технологии. Это не генетически модифицированные растения и бактерии, которых мы можем легко выкинуть и заменить, если что-то пойдет не так. Собственно, при обычной генной инженерии мы тоже получаем организмы, у которых вставка произошла не там, где надо, но мы можем создать сотни разных генетически модифицированных особей, прочитать их ДНК и отобрать удачные варианты, с которыми все в полном порядке.

Но можно ли проводить редактирование ДНК более точно? Направляющая РНК позволяет белку Casy узнать в геноме фрагмент ДНК длиной около двадцати нуклеотидов. Для узнавания не требуется 100% комплементарности между направляющей РНК и геномным фрагментом, поэтому Casy иногда режет не там, где предполагалось, — с этой проблемой и столкнулись китайские ученые, пытавшиеся редактировать геном эмбриона человека. Но еще в 2013 году в журнале Cell вышла статья, в которой было предложено усовершенствование белка Casy, позволяющее существенно снизить вероятность ошибки.

Авторы статьи получили мутантный вариант Casy, который разрезает не две цепочки молекулы ДНК, а только одну[321]. Казалось бы, как такой «испорченный» фермент сможет работать лучше обычного? Дело в том, что вместе с мутантным Casy используется не одна направляющая РНК, а две, узнающие два соседних участка ДНК. Система починки ДНК в клетке легко «запаивает» одноцепочечный разрез в молекуле ДНК, но если такой разрыв произойдет одновременно в двух соседних местах обеих цепей, мы получим эффект, аналогичный действию ферментов рестриктаз, с разделением одной молекулы ДНК на две (места разрезов показаны символом ).

Теперь для редактирования генома недостаточно, чтобы одна направляющая РНК узнала какой-то его участок. Нужно, чтобы две направляющие РНК узнали два соседних участка генома. Такая система редактирования генома узнает не 20 нуклеотидов, а 40, а значит, специфичность метода существенно возрастает. Еще более надежный метод был предложен в 2014 году в журнале Nature Biotechnology сразу двумя группами исследователей[322][323]. Существует белок, который называется нуклеаза FokI, способный разрезать ДНК. Белки FokI разрезают ДНК только в том случае, если два таких белка соберутся вместе, образуя «супербелок». Примерно как в детских мультиках, где непобедимый робот собирается из нескольких маленьких роботов, каждый из которых по отдельности не может одолеть врага.

Ученые взяли и приделали одиночный белок FokI к модифицированному белку Casy, который из-за внесенной в него мутации вовсе лишен способности разрезать ДНК, но по-прежнему может ее узнавать при помощи направляющей РНК. С помощью одной направляющей РНК гибридный белок Casy-FokI узнает один участок ДНК, но не может его разрезать (ни одну цепочку). С помощью другой направляющей РНК он может узнать второй участок ДНК, но тоже не может его разрезать. Но если два гибридных белка Casy-FokI окажутся рядом, узнав два соседних участка ДНК (расположенных на строго определенном расстоянии), белки FokI образуют «супербелок» и могут разрезать ДНК. Преимуществ у подхода два: мы больше не вносим лишние одноцепочечные разрезы в ДНК и одновременно фиксируем расстояние, на котором должны находиться два участка ДНК, узнаваемые Casy и направляющими РНК. С другой стороны, это несколько ограничивает применимость метода — не любой участок ДНК содержит сайт, который может разрезать FokI.

Создание новых способов редактирования генома — одна из самых бурно развивающихся областей современных биотехнологий. Вполне возможно, что к моменту издания этой книги многие из описанных методов уже устареют, а им на замену придут новые, еще более точные и надежные подходы. Например, пока я писал эту главу, ученые из Гарварда опубликовали статью про новую мутантную форму белка Casy, в 25 раз более специфичную, чем та, что была обнаружена в природе у бактерий[324]. Кроме того, было найдено вещество, увеличивающее эффективность редактирования генома с помощью Casy в 17 раз[325]. Аналогично были обнаружены гены, временно выключая которые с помощью РНК-интерференции, удается повышать эффективность редактирования генома в 8 раз[326]. Последние два подхода направлены на то, чтобы заставить клетки исправлять сделанные с помощью Casy разрезы в ДНК именно через рекомбинацию (с похожей молекулой ДНК), а не через простое сшивание молекул в месте разреза. Еще две группы ученых получили мутантный белок Casy, который редактирует ДНК только после активации светом[327][328].