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

Панчин Александр

Мы выбираем место, которое хотим редактировать, и ген, который хотим вставить. Создаем плазмиду, содержащую целевой ген, ген белка Casy и ген специально подобранной направляющей РНК, распознающей желаемое место вставки. Все это обрамляется двумя последовательностями ДНК, комплементарными участкам хромосомы предшествующему и следующему за местом разреза (будущим местом вставки). Плазмида с такой конструкцией переносится в клетку. Внутри клетки синтезируется белок Casy, который связывает направляющую РНК и делает двухцепочечный разрез в комплементарном ей участке одной из хромосом. Клетки не любят разрезы в ДНК (а точнее, «оголенные» концы этих молекул) и пытаются их исправить, снова сшить молекулы.

Иногда для исправления разреза подключается особый клеточный механизм починки ДНК,

который в поисках информации о том, как выглядела молекула ДНК до разреза, может обратиться ко второй копии хромосомы. Используя эту информацию, механизм, названный гомологичной рекомбинацией, может проверить, не пропало ли что-нибудь в месте разреза, и восстановить недостающие нуклеотиды.

Если клетка использует для починки вторую копию хромосомы или просто сошьет концы вместе, ничего не изменится. Белок Casy снова сделает разрез, и клетке придется чинить ДНК заново.

С другой стороны, на копию хромосомы очень похожа наша плазмида, так как у нее есть обрамляющие участки, точно совпадающие с участками вокруг разреза! Из-за этих участков система починки ДНК может перепутать плазмиду со второй копией хромосомы и синтезировать копию нашей конструкции (с целевым геном, геном Casy и геном направляющей РНК) в место разреза. Когда вторая копия хромосомы будет разрезана все тем же белком Casy, «дырка» в ДНК исправится за счет копирования участка с первой (уже генетически модифицированной) копии хромосомы или участка с нашей плазмиды. В любом случае обе хромосомы окажутся с нужной нам вставкой.

Когда наша генетически модифицированная хромосома передастся потомку организма, в его клетках тоже будут синтезированы белок Casy и направляющая РНК. В результате вторая копия хромосомы, доставшаяся от другого родителя, тоже будет изменена. Получается, что генетически модифицированная хромосома превращает немодифицированные копии хромосомы в себе подобные, а вставка очень эффективно распространяется в популяции. Если организм с такой вставкой выпустить в окружающую среду, шансы, что вставка распространится, будут очень высоки. А значит, такой подход теоретически можно использовать для инженерии природных популяций — например, для борьбы с разносчиками инфекций.

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.

320

Liang P. et al.: CRISPR/Cas9-mediated gene editing in human tripronuclear zygotes. Protein Cell 2015, 6(5):363–72.

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 <>).

321

Ran F.A. et al.: Double nicking by RNA-guided CRISPR Cas9 for enhanced genome editing specificity. Cell 2013, 154(6):1380–9.

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.

322

Tsai S.Q. et al.: Dimeric CRISPR RNA-guided FokI nucleases for highly specific genome editing. Nat Biotechnol 2014, 32(6):569–76.

323

Guilinger J.P. et al.: Fusion of catalytically inactive Cas9 to FokI nuclease improves the specificity of genome modification. Nat Biotechnol 2014, 32(6):577–82.