В среду комитет по присуждению Нобелевской премии вручил Нобелевскую премию по химии Эммануэль Шарпантье и Дженнифер Дудна, которые внесли ключевой вклад в развитие системы редактирования генов CRISPR, которая использовалась для создания первых людей с редактированием генов. Эта награда может вызвать споры, так как в разработку CRISPR принимало участие множество других участников (достаточно, чтобы обеспечить ожесточенную борьбу за патент), а работа Шарпантье и Дудна хорошо отражала биологическую сторону химии. Но никто не станет спорить, что редактирование генов не было предназначено для получения Нобелевской премии.
Фундаментальная наука
История редактирования генов CRISPR – это классическая научная история: группа людей, работающих в не очень передовой области науки, нашла что-то странное. «Что-то» в данном случае было странностью в последовательности генома ряда бактерий. Несмотря на то, что они были очень отдаленными родственниками, у всех видов был участок генома, в котором повторялся набор последовательностей ДНК с коротким спейсером между ними. Последовательности получили название CRISPR, что означает «сгруппированные с регулярными интервалами короткие палиндромные повторы», но никто не знал, что они там делали.
Тот факт, что они могут быть важны, стал очевиден, когда исследователи осознали, что бактерии, имеющие последовательности CRISPR, неизменно также имеют небольшой набор связанных с ними генов. Поскольку бактерии, как правило, быстро теряли гены и повторяющиеся последовательности, которые не выполняли полезных функций, это, очевидно, предполагало какую-то полезность. Но кому-то понадобилось 18 лет, чтобы заметить, что повторяющиеся последовательности совпадают с последовательностями, обнаруженными в геномах вирусов, инфицировавших бактерии.
Ключевой эксперимент был проведен двумя годами позже, в 2007 году, когда исследователи подвергли бактерии воздействию вируса, а затем извлекли те, которые сопротивлялись инфекции. Неизменно они обнаружили, что устойчивые штаммы улавливали копии CRISPR, соответствующие последовательностям вируса. CRISPR действовали как бактериальная иммунная система, позволяя им запоминать и отключать патогены, которым они подвергались ранее.
Стоит отметить, что изучение защиты бактерий от вирусов не является очевидным путем к революции в биотехнологии, и это своего рода фундаментальное исследование, которое никогда не будет финансироваться промышленностью. Тем не менее, это уже второй раз, когда это произошло, первым из которых было открытие рестрикционных ферментов, которые позволили использовать рекомбинантную ДНК, за что еще в 1978 году была отмечена Нобелевская премия.
Как CRISPR работает?
Однако все это оставило много вопросов. Мы знали, что есть последовательности ДНК, и мы знали, что есть гены, но мы не знали, как они действуют. Со временем люди выяснили, что многие гены отвечают за идентификацию чужеродной ДНК и преобразование ее в повторы CRISPR. И стало ясно, что ДНК рядом с повторами заставляет ее транскрибировать в РНК. Шарпантье и Дудна внесли ключевой вклад в его сборку.
Примерно в 2010 году Эммануэль Шарпантье возглавила команду, которая определила, что повторы CRISPR транскрибируются с обеих нитей ДНК двойной спирали. Это означало, что две популяции РНК также могли образовывать двухцепочечную двойную спираль. Команда подтвердила, что обе эти цепи РНК необходимы для функционирования системы.
В этот момент Шарпантье начала свое сотрудничество с Дудной, чтобы понять, что может делать двухцепочечная РНК. В конечном итоге они определили, что он был разрезан на более мелкие части, которые объединились с одним из генов, связанных с CRISPR, CAS-9. Затем CAS-9 использовал РНК для идентификации совпадающих последовательностей ДНК в вирусе, которые он должен был разрезать. Разрезания ДНК вируса достаточно, чтобы его инактивировать и защитить бактерии.
Но Шарпантье и Дудна быстро поняли, что это потенциальный инструмент. Если РНК сообщала системе, какие последовательности нужно вырезать, замена РНК другой РНК могла бы перенаправить ее, чтобы полностью вырезать какую-то другую последовательность. И есть много потенциальных применений программируемого фермента, разрезающего ДНК, так как разрез можно использовать для инактивации гена или даже для замены в другой версии гена.
Чтобы показать, что это возможно, Шарпантье и Дудна сделали два важных шага. Они показали, что CAS-9 не нуждается в сложном процессе создания подходящих РНК, которые затем разрезаются на более мелкие части. Более короткая РНК, которая была сконструирована так, чтобы образовывать двойную спираль, могла бы работать так же, значительно упрощая систему. Далее они показали, что изменения последовательности этой РНК, чтобы она соответствовала чему-то другому, кроме вируса, было достаточно, чтобы перенаправить ее на что-то, что не было вирусом. Систему CRISPR-CAS-9 можно перепрограммировать, чтобы вырезать любую желаемую последовательность.
Эти двое точно знали, что они разработали. Последнее предложение реферата их ключевой документ отмечает, что их работа «подчеркивает потенциал использования системы для редактирования генома, программируемого с помощью РНК».
Революция CRISPR
Мир слушал. Всего через шесть лет после того, как эти слова были опубликованы, у нас родились первые генетически отредактированные дети.
Также происходит много всего, что не связано с этически сложными и сомнительными с научной точки зрения исследованиями на людях. Несмотря на долгую борьбу за патенты на различные аспекты технологии CRISPR, она уже нашла широкое применение в качестве инструмента для управления исследовательскими организмами, такими как мышь. Люди разработали тесты на SARS-CoV-2 на основе CRISPR, которые работают быстро и при комнатной температуре. И уже прошли хорошо регулируемые испытания на людях.
Таким образом, многие люди были вовлечены в то, чтобы использовать открытия Шарпантье и Дудна и применить их в различных проектах. Другие доработали саму систему, адаптировав ее для редактирования отдельных баз или резки с большей специфичностью. И история, которую мы описали выше, ясно показывает, что Шарпантье и Дудна вошли в историю CRISPR после того, как были разработаны некоторые основы. Неизменно поступают жалобы на людей, не получивших Нобелевских премий.
Еще одна вещь, которая может вызвать некоторые споры, – это то, что эта награда помещается в категорию химии. Некоторые исследования систем CRISPR включали в себя некоторую серьезную химию, например, выяснение деталей фактических механизмов разрезания и взаимодействий пар оснований, необходимых для его работы. Но в ключевой статье Шарпантье и Дудна просто показан набор гелей, которые показывают присутствие различных молекул ДНК и РНК. Другими словами, работа в области молекулярной биологии окончена и вплотную приближается к обычной биологии. У химиков, которые чувствительны к подобным вещам, будет множество причин жаловаться.
Но вам, вероятно, будет сложно найти кого-нибудь, кто считает, что разработка редактирования генов CRISPR не заслуживает Нобелевской премии или что Шарпантье и Дудна не внесли существенного вклада в превращение его в инструмент, которым он стал.
