Нобелевская премия по химии досталась открывателям самого быстрого и точного метода генетического редактирования

Нобелевский комитет Королевской шведской академии наук вручил Нобелевскую премию 2020 года по химии за один из самых востребованных методов современной генетической инженерии, известный как «Генетические ножницы», или CRISPR-Cas9. Лауреатами стали француженка Эммануэль Шарпантье и американка Дженнифер Дудна. Как говорится в сообщении Нобелевского комитета, «метод CRISPR-Cas9 произвел революцию в молекулярных науках, открыл новые возможности для селекции растений, внес свой вклад в инновационные методы лечения рака и может воплотить мечту об излечении унаследованных болезней».

Сергей Ивашко, кандидат химических наук

«Генетические ножницы»

В начале 80-х годов группа ученых из Японии пыталась расшифровать ДНК кишечной палочки. К своему удивлению, генетики увидели, что часть самой важной молекулы в клетке ничего не кодирует. Эта часть состояла из коротких повторяющихся палиндромных участков (CRISPR, clustered regularly interspaced short palindromic repeats), регулярно перемежающихся уникальными последовательностями. Эдакий «генетический бутерброд», где между одинаковыми слоями «хлеба» расположились «масло», «ветчина», «салат» и все что захотите. Позже выяснилось, что генетические последовательности в уникальных участках, названных спейсерами, очень похожи на вирусные. Поиски ответа на вопрос «почему?» привели советского и американского биоинформатика Евгения Кунина к мысли, что речь идет о защитной системе бактерий. И такая система через несколько лет нашлась. Оказалось, что рядом с каждым CRISPR-участком есть связанный с ним участок ДНК (CRISPR-associated sequence, или Cas), в котором закодировано производство Cas-белка. Этот белок связывается с РНК, сделанной по спейсеру, и такая система при попадании соответствующего вируса в клетку опознает вредителя и откусывает от него кусок ДНК. Последовательность таких реакций с привлечением большого количества Cas-белков в итоге приводит к тому, что вирусная ДНК полностью уничтожается.

Группы Эммануэль Шарпантье и Дженнифер Дудны изучали другие системы защиты, которые кодировали только один большой Cas-белок. Великан Cas9 оказался не только большим, но и многофункциональным. Он сам находил вредителя, опознавал и разрезал его без чьей-либо помощи.

Гениальность следующего шага в том, что исследовательницы догадались, что если вместо «естественного» участка РНК, синтезированного из клеточной ДНК, подцепить к белку Cas9, сделанную вручную, то белок можно нацелить на любой участок любой ДНК, находящейся в клетке. В том числе и на ДНК самой клетки. И разрезать его.

Как подчеркивают генетические инженеры, хитрость здесь именно в месте разреза. Потому что ДНК затем восстановится. Либо при помощи парной, здоровой хромосомы (и тем самым болезнь исчезнет), либо, как в случае с гемофилией, например, за счет внесенного вместе с белком участка здоровой ДНК. Как говорит российский молекулярный биолог профессор Сколтеха Константин Северинов, это вполне реальная технология, позволяющая заменить любой участок ДНК на что угодно.

«CRISPR-Cas9 — это не ГМО»

В ходе обсуждений Нобелевской премии по химии разгорелся спор, можно ли считать организмы, измененные при помощи системы CRISPR-Cas9, генетически модифицированными. Над спором посмеялись сразу несколько специалистов кафедры химии природных соединений химического факультета МГУ — вплоть до профессора кафедры Петра Сергиева, который также недавно стал директором Института функциональной геномики МГУ. По мнению университетских химиков, спор этот можно считать в некоторой степени политическим, потому что формально организм, ДНК которого отредактировали, генетически модифицирован по определению. Другое дело, что в сознании большинства жителей Земли ГМО — это «помидоры с геном скорпиона», то есть некие химеры с не до конца изученными свойствами, таящие в себе неведомые опасности. Так как до появления CRISPR-Cas9 схемы редактирования действительно были весьма неточными (при всей их сложности и дороговизне) и после внесения нужных генов примерно в нужное место приходилось долго выделять среди полученных образцов организмы с нужными свойствами, то политически правильно отстроить новую систему от прежних. Действительно, одно дело — месяцы и годы полуслучайной бомбардировки генома, и совсем другое — неделя работы и точное, контролируемое изменение ДНК.

Что менять будете?

Казалось бы, такие тотальные контроль и качество в генетическом редактировании означают, по сути, всемогущество. Улучшить зрение? Пожалуйста. Нарастить мышцы? Легко. Изменить цвет кожи? Можно. Избавиться от любого наследственного или приобретенного генетического заболевания? Не вопрос! Чего еще изволите? Однако есть нюанс. Даже несколько.

Во-первых, на данном этапе невозможно «исправить» все клетки сколько-нибудь развитого организма. Оплодотворенная яйцеклетка — наш предел. Механизм CRISPR-Cas9 все же оказался не на 100% точным, с чем столкнулись сразу несколько научных групп. И если при модификации пшеницы мы можем себе позволить поиграться с долей исправленных семян, то в случае с человеком цена ошибки слишком высока. Во-вторых, подавляющее большинство генетически обусловленных заболеваний кодируются не одним геном, а в результате сложного механизма активации нескольких участков. И нет гарантии, что эти гены не задействованы в других надмолекулярных механизмах работы генома. В-третьих, «генетическими ножницами» можно сделать действительно любые (!) изменения в геноме, в том числе и катастрофически негативные. С учетом неточности метода внести хаос в организм даже проще. Представьте себе, что помимо нужной последовательности в 20 нуклеотидов в геноме есть 19, отличающихся на одну генетическую букву. С ними CRISPR-Cas9 тоже может связаться, только в сто раз хуже. Но с учетом того, что во взрослом человеке почти 40 трлн (!) клеток, а еще столько же бактерий, можно себе представить последствия. А ведь есть еще последовательности, отличающиеся на две, три, четыре буквы. И пусть вероятность каждый раз падает в сто раз, количество пораженных клеток окажется просто катастрофическим.

Поэтому во всех странах, где занимаются генетическим редактированием, кардинально встал вопрос об ответственности человека за производимые изменения, о контроле над использованием методики. Законодательно вводятся запреты на определенные виды экспериментов, полиция борется с попытками проводить нелегальные эксперименты над животными и человеком. Но «война за геном» продолжается даже в открытую. А чем занимаются военные, остается только догадываться.

Патентные войны

Нобелевские лауреаты Шарпантье и Дудна тоже ведут битву. Хотя они первыми опубликовали в Science способ направленного редактирования генома, но сделали это in vitro. А на пятки им наступала группа Джорджа Черча и Фэна Чжана из MIT. Они показали, что система CRISPR-Cas9 может работать в клетках высших организмов. И MIT успел подать заявку на патент на сутки раньше Беркли. И сейчас два топ-университета судятся за право обладать патентом на генетическое редактирование. Так что Нобелевская премия наверняка станет серьезным подспорьем проигрывающей (по отзывам наблюдателей) стороне.

«Опять не химикам»

Довольно многочисленная группа «ортодоксальных» химиков, узнав про нобелевских лауреатов 2020 года, в принципе расстроилась выбору Нобелевского комитета и высказалась так: «Нобелевскую премию по химии традиционно решили не давать». Вес такому высказыванию для ортодоксов придает то, что основное применение CRISPR-Cas9 нашел в биологических науках. Кроме того, если посмотреть историю Нобелевских премий за последние десять лет, то формально только в 2010 году премия вручена «за химию», точнее, за новый тип каталитических реакций. Среди остальных одна «приборная», две «материаловедческие» и шесть «биохимических» с все большим уклоном в «био». Однако биохимики возражают, что если вспомнить классическое определение химии как науки о веществах и их превращениях, то CRISPR-Cas9 вполне подпадает под химический. Одну молекулу он превращает в другую, а как именно, определение химии не ограничивает. К тому же химия как наука в последние десятилетия становится все более всеобъемлющей. Она проникла практически во все соседние науки, порождая все новые и новые направления развития. Да, биохимики и физхимики порой говорят на разных языках и не понимают друг друга, но это совершенно не означает, что и те, и другие — не химики.