Взломавшая код. Дженнифер Даудна, редактирование генома и будущее человечества
Лаборатория в Колд-Спринг-Харбор не только используется в качестве исследовательского центра, но каждый год здесь проводится около тридцати конференций на различные темы. В 1986 году Уотсон решил дать старт серии ежегодных мероприятий под названием “Биология геномов”. На первой из них предполагалось составить план проекта “Геном человека”.
В день начала конференции Уотсон сообщил собравшимся ученым шокирующую новость: его сын Руфус сбежал из психиатрической больницы, где лечился после попытки разбить окно и покончить жизнь самоубийством, спрыгнув с одной из башен Всемирного торгового центра. Теперь никто не знал, где он находится, и Уотсон вынужден был уехать на его поиски.
Руфус родился в 1970 году. У него было худое лицо, спутанные волосы и кривоватая улыбка, доставшаяся ему от отца. Он был очень умен. “Я был очень доволен, – говорит Уотсон, – потому что он некоторое время ходил со мной смотреть на птиц, и это позволило нам сблизиться”. В свое время Уотсон, тощий смышленый мальчишка из Чикаго, наблюдал за птицами со своим отцом. Но у Руфуса с детства возникали проблемы с общением с людьми, а затем, когда он учился в десятом классе пансиона в Эксетере, у него случился приступ психического заболевания, после которого его отправили домой. Через несколько дней он поднялся на вершину Всемирного торгового центра, решив свести счеты с жизнью. Врачи поставили ему диагноз “шизофрения”. Старший Уотсон расплакался. “Я никогда прежде не видела, чтобы Джим плакал, и никогда не видела этого больше”, – говорит его жена Элизабет[30].
Уотсон, пока они с Элизабет помогали с поисками сына, пропустил бо́льшую часть конференции по геному в Колд-Спринг-Харбор. В конце концов Руфуса обнаружили в лесу. Наука для Уотсона пересеклась с реальной жизнью. Масштабный международный проект по изучению человеческого генома отныне не был для него абстрактным научным начинанием. Он приобрел личное измерение и поселил в Уотсоне уверенность, граничащую с одержимостью, что генетика способна объяснить человеческую жизнь. Природа, а не воспитание сделала Руфуса таким, какой он был, и также сделала разные группы людей такими, какими они стали.
По крайней мере, так казалось Уотсону, который смотрел на вещи сквозь призму открытия ДНК и болезни сына. “Руфус очень умен, очень восприимчив, и он может быть отзывчивым, но при этом яростен в своем гневе, – говорит Уотсон. – Когда он был маленьким, мы с женой надеялись, что сможем создать для него подходящие условия, чтобы он добился успеха. Но вскоре я понял, что корень его проблем – в генах. И поэтому я возглавил проект «Геном человека». У меня был лишь один способ понять сына и помочь ему жить нормальной жизнью – расшифровать геном”[31].
В стремлении к последовательностиКогда в 1990 году был запущен проект “Геном человека”, Уотсон стал его первым руководителем. Все важные роли играли мужчины. Впоследствии Уотсона сменил Фрэнсис Коллинз, который в 2009 году стал директором Национальных институтов здоровья США. В число юных дарований входил харизматичный и увлеченный Эрик Лэндер, головокружительно талантливый капитан математической команды одной из бруклинских школ: он защитил докторскую диссертацию о теории кодирования в Оксфорде, где учился по стипендии Родса, а затем решил стать генетиком в Массачусетском технологическом институте. Самым скандальным участником проекта стал сумасбродный и резкий Крейг Вентер, который, когда его призвали в армию во время Тетского наступления во Вьетнамской войне, работал в полевом госпитале ВМС США, затем пытался покончить жизнь самоубийством, утопившись в море, а затем стал биохимиком и предпринимателем в сфере биотехнологий.
Проект начался с сотрудничества, но, как часто случается с открытиями и инновациями, вскоре пришел к соперничеству. Вентер, найдя новые способы секвенирования, позволившие ему проводить операции дешевле и быстрее, чем всем остальным, вышел из проекта и основал частную компанию Celera, чтобы зарабатывать, патентуя новые открытия. Уотсон поручил Лэндеру реорганизовать общее дело и ускорить работу. Назначение Лэндера стало ударом по самолюбию некоторых ученых, но все же он сумел добиться, чтобы проект не отставал от частного предприятия Вентера[32].
В начале 2000 года, когда соперничество привлекло внимание общественности, президент Билл Клинтон настоял на том, чтобы Вентер и Коллинз, которые грызлись друг с другом в прессе, заключили перемирие. Коллинз сравнивал техники Вентера с кратким пересказом книг и “сатирическим журналом Mad”, а Вентер высмеивал государственный проект, отмечая, что он стоит в десять раз больше, а движется гораздо медленнее. “Исправьте ситуацию – пусть они работают вместе”, – сказал Клинтон своему главному советнику по науке. Коллинз и Вентер встретились за пиццей и пивом, чтобы выяснить, смогут ли они прийти к соглашению, разделив заслуги и согласившись сделать их достоянием общественности, вместо того чтобы в частном порядке эксплуатировать то, что вскоре станет самой важной в мире базой биологических данных.
После еще нескольких личных встреч Клинтон наконец смог пригласить Коллинза и Вентера в Белый дом и торжественно объявить о первых результатах проекта “Геном человека” и о готовности ученых разделить заслуги. Джеймс Уотсон приветствовал такое решение. “События последних нескольких недель показали, что те, кто работает на общее благо, не всегда отстают от тех, кто руководствуется личной выгодой”, – сказал он.
В то время я был редактором журнала Time, и мы несколько недель общались с Вентером, чтобы получить эксклюзивный доступ к его истории и поместить его портрет на обложку. Он был заманчивым кандидатом на обложку, поскольку к тому времени он уже начал тратить заработанные с Celera деньги: купил яхту, профессионально занялся серфингом, стал устраивать вечеринки. На той неделе, когда мы заканчивали работу над статьей о нем, мне неожиданно позвонил вице-президент Альберт Гор. Он настаивал – очень категорично, – чтобы я поместил на обложку и портрет Фрэнсиса Коллинза. Вентер сопротивлялся. На пресс-конференции ему пришлось разделить славу с Коллинзом, но делиться с ним еще и обложкой Time он вовсе не собирался. В конце концов он уступил, однако на фотосессии не удержался и сказал, что Коллинз не смог угнаться за секвенированием в Celera. Коллинз, улыбнувшись, промолчал[33].
“Сегодня мы изучаем язык, на котором Бог сотворил жизнь”, – заявил Клинтон на прошедшей в Белом доме церемонии с участием Вентера, Коллинза и Уотсона. Эти слова пробудили огромный интерес общественности. Газета The New York Times поместила на первой полосе заголовок: “Ученые взломали генетический код человеческой жизни”. Статья, написанная уважаемым журналистом Николасом Уэйдом, специализирующимся на биологии, начиналась так: “Достигнув величайших высот человеческого самопознания, две конкурирующие группы ученых сегодня объявили, что расшифровали сценарий наследственности – набор инструкций, определяющих человеческий организм”[34].
Даудна обсуждала с Шостаком, Черчем и другими учеными из Гарварда, стоило ли выделять три миллиарда долларов на проект “Геном человека”. Черч в то время был настроен скептически и до сих пор не поменял своего мнения. “За три миллиарда долларов мы получили не слишком многое, – говорит он. – Мы ничего не открыли. Ни одна из технологий не выжила”. Несмотря на предсказания, расшифровка генома, как оказалось, не привела ни к каким великим медицинским прорывам. Было обнаружено более четырех тысяч мутаций ДНК, вызывающих болезни, однако не появилось никаких методов лечения даже самых простых из моногенных заболеваний, таких как болезнь Тея – Сакса, серповидноклеточная анемия и болезнь Гентингтона. Люди, которые секвенировали ДНК, научили нас читать код жизни, но важнее было научиться писать этот код. Для этого необходим был другой набор инструментов, включающих трудолюбивую молекулу, которая казалась Даудне интереснее, чем ДНК.
Джек Шостак
Глава 6. РНК
Центральная догмаЧтобы научиться не только читать, но и писать человеческий геном, необходимо было переключить внимание с ДНК на ее менее известную родственницу, которая в реальности выполняет закодированные инструкции. РНК (рибонуклеиновая кислота) – это содержащаяся в живых клетках молекула, которая похожа на ДНК (дезоксирибонуклеиновую кислоту), но имеет дополнительный атом кислорода в сахарофосфатном остове и отличается одним из четырех оснований.
В мире, пожалуй, нет молекулы известнее, чем ДНК, которая появляется на обложках журналов и используется в качестве метафоры для характеристик, неотъемлемо присущих обществу или организации. Однако, как часто бывает с более знаменитыми родственниками, ДНК не перегружена работой. В основном она находится дома, в ядрах наших клеток, которые почти не покидает. Главным образом она охраняет информацию, которую кодирует, и периодически воспроизводит саму себя. РНК, напротив, выполняет настоящую работу. Вместо того чтобы сидеть дома и беречь информацию, она создает реальные продукты, например белки. Будьте внимательны к ней. В этой книге – а также в карьере Даудны – она будет блистать во всем, от CRISPR до COVID.
Когда велась работа в рамках проекта “Геном человека”, РНК по большей части считали информационной молекулой, которая переносит инструкции от ДНК, находящейся в клеточных ядрах. Маленький сегмент ДНК, кодирующий ген, транскрибируется во фрагмент РНК, который затем перемещается в производственную зону клетки. Там “информационная РНК” запускает сборку нужной последовательности аминокислот для создания конкретного белка.
Существует множество типов таких белков. Например, фибриллярные белки формируют такие структуры, как кости, ткани, мышцы, волосы, ногти, сухожилия и клетки кожи. Мембранные белки передают сигналы внутри клеток. Самый удивительный тип белков – ферменты, или энзимы. Они служат катализаторами процессов. Они запускают, ускоряют и замедляют химические реакции во всех живых организмах. Почти все, что происходит в клетке, требует участия фермента-катализатора. Обратите внимание на ферменты. В этой книге они будут сиять вместе с РНК, становясь ее партнерами в танце.
Через пять лет после открытия структуры ДНК Фрэнсис Крик, принявший в этой работе непосредственное участие, дал название процессу перемещения генетической информации от ДНК к РНК и построения белков. Он назвал его “центральной догмой” молекулярной биологии. Позже он признал, что не слишком удачно выбрал слово “догма”, предполагающее неизменную и непререкаемую веру[35]. Но слово “центральный” подходило как нельзя лучше. Хотя догма и была скорректирована, процесс остался центральным для биологии.
РибозимыОдно из первых изменений в центральной догме произошло, когда Томас Чек и Сидни Олтмен независимо друг от друга открыли, что белки – это не единственные в клетке молекулы, которые могут быть ферментами. В начале 1980-х они провели исследование, которое впоследствии принесло им Нобелевскую премию, и неожиданно обнаружили, что некоторые формы РНК тоже могут быть ферментами. В частности, они открыли, что некоторые молекулы РНК могут делиться, запуская химические реакции. Они назвали такие каталитические РНК “рибозимами”, составив термин из понятий “рибонуклеиновая кислота” и “энзимы”[36].
Чек и Олтмен совершили это открытие, изучая интроны. Некоторые фрагменты нуклеотидных последовательностей не кодируют инструкции по созданию белков. Когда такие последовательности транскрибируются в молекулы РНК, они начинают мешать нормальной работе молекулы. В связи с этим их необходимо отрезать, осуществляя так называемый сплайсинг, прежде чем РНК сможет продолжить свою миссию по руководству строительством белков. Чтобы вырезать интроны и заново соединять полезные фрагменты РНК, нужен катализатор, роль которого обычно выполняет белковый фермент. Но Чек и Олтмен обнаружили, что некоторые интроны РНК выполняют сплайсинг самостоятельно!
Это открытие имеет любопытные последствия. Если некоторые молекулы РНК могут хранить генетическую информацию и также выступать в качестве катализаторов химических реакций, то они могут играть более важную роль в происхождении жизни, чем ДНК, которая не может естественным образом воспроизводиться в отсутствие белков, запускающих химические реакции[37].
РНК, а не ДНККогда весной 1986 года Даудне больше не нужно было менять лаборатории, она спросила Джека Шостака, может ли она остаться в его лаборатории и заняться диссертационным исследованием под его руководством. Шостак согласился, но с оговоркой. Он больше не собирался заниматься ДНК дрожжей. Пока другие биохимики восторженно обсуждали секвенирование ДНК в проекте “Геном человека”, он решил переключиться на РНК, которая, как он полагал, могла раскрыть секреты, приблизив ученых к разгадке главной из биологических загадок – загадки о происхождении жизни.
Шостак сказал Даудне, что заинтересовался открытиями Чека и Олтмена, показавшими, что некоторые молекулы РНК имеют каталитические свойства ферментов. Он намеревался выяснить, могут ли рибозимы использовать эту способность для самовоспроизводства. “Хватит ли этому фрагменту РНК химических силенок, чтобы создать свою копию?” – спросил он у Даудны. Он предложил, чтобы именно этим она и занялась в своем диссертационном исследовании[38].
Заразившись энтузиазмом Шостака, Даудна вызвалась стать первой в этой лаборатории аспиранткой, работающей над РНК. “Когда я изучала биологию, нам подробно расписывали структуру и код ДНК и говорили, что всю тяжелую работу в клетках выполняют белки, в то время как РНК считали бестолковым посредником, своего рода руководителем среднего звена, – вспоминает Даудна. – Я очень удивилась, когда выяснилось, что в Гарварде работает молодой гений Джек Шостак, который хочет на сто процентов посвятить себя исследованию РНК, поскольку считает ее ключом к разгадке тайны о происхождении жизни”.
И для Шостака, который уже завоевал авторитет, и для Даудны, которая пока еще не имела солидной репутации, решение заняться РНК было рискованным. “Вместо того чтобы вместе со всеми изучать ДНК, – вспоминает Шостак, – мы решили стать первопроходцами в новой сфере, отправиться на новые рубежи, которые были несколько обделены вниманием, но нам казались весьма интересными”. Это было задолго до того, как в РНК увидели технологию, которая позволяет оказывать влияние на экспрессию генов и вносить изменения в человеческие гены. Шостак и Даудна обратились к РНК из чистого любопытства, в стремлении разобраться, как работает природа.
У Шостака был принцип: “Никогда не делай того, чем занимается еще тысяча человек”. Даудне он пришелся по душе. “Это было как на футбольном поле, где я хотела играть на позиции, которую не жаловали другие дети, – говорит она. – Джек научил меня, что, вторгаясь на неизведанную территорию, рискуешь сильнее, но при этом получаешь возможность выиграть больше”.
К тому времени она знала, что важнее всего при изучении природного явления понять, как устроены участвующие в нем молекулы. Для этого ей нужно было освоить некоторые техники, использовавшиеся Уотсоном, Криком и Франклин при изучении структуры ДНК. Если бы у них с Шостаком все получилось, это могло бы стать большим шагом к ответу на один из самых главных биологических вопросов, а возможно, и на самый главный вопрос: как зародилась жизнь?
Происхождение жизниШостак загорелся идеей узнать, как зародилась жизнь, и его энтузиазм преподнес Даудне второй важный урок: поняв, что не стоит бояться рисковать, вторгаясь на новые территории, она также осознала, что ученому положено задавать грандиозные вопросы. Хотя Шостаку нравилось погружаться в детали экспериментов, он постоянно размышлял на поистине глубокие темы. “Зачем еще заниматься наукой?” – говорил он Даудне. И этот вопрос стал одним из ее руководящих принципов[39].
Существуют великие вопросы, на которые мы, смертные, возможно, никогда не найдем ответа: как зародилась Вселенная? почему в мире есть что-то, когда могло бы не быть ничего? что такое сознание? Есть и вопросы, которые, возможно, поддадутся нам до конца этого столетия: все ли во Вселенной предопределено? обладаем ли мы свободой воли? Если говорить о грандиозных вопросах, то ближе всего мы подошли к ответу на вопрос о происхождении жизни.
Центральная догма биологии требует наличия ДНК, РНК и белков. Поскольку маловероятно, чтобы все они одновременно выплыли из первичного бульона, в начале 1960-х годов появилась гипотеза, которую независимо друг от друга сформулировали вездесущий Фрэнсис Крик и другие ученые, и она гласит, что ранее существовала более простая система. Крик предположил, что на заре земной истории РНК была способна к самовоспроизводству. Это оставляет открытым вопрос, откуда появилась первая РНК. Некоторые полагают, что ее источником был космос. Но, возможно, дело обстояло проще и на Земле в доисторические времена присутствовали химические составляющие РНК, которые соединялись друг с другом в результате естественного случайного смешивания. В тот год, когда Даудна пришла в лабораторию Шостака, биохимик Уолтер Гилберт назвал эту гипотезу “миром РНК”[40].
Неотъемлемое свойство живых существ заключается в том, что они владеют методом создания новых организмов, подобных себе: они способны к воспроизводству. Следовательно, если вы хотите сказать, что РНК могла быть молекулой-предшественником, которая привела к зарождению жизни, полезно будет продемонстрировать процесс ее самовоспроизводства. Именно такую цель и поставили перед собой Шостак и Даудна[41].
Даудна применяла множество тактик для создания РНК-фермента, или рибозима, который мог бы связывать маленькие фрагменты РНК. В конце концов они с Шостаком смогли создать рибозим, который с помощью сплайсинга производил собственную копию. “Эта реакция демонстрирует возможность воспроизводства РНК при использовании РНК в качестве катализатора”, – написали Даудна и Шостак в статье, вышедшей в журнале Nature в 1989 году. Биохимик Ричард Лифтон позже назвал эту статью “чудом технического мастерства”[42]. Даудна стала восходящей звездой царства исследований РНК. Пока оно оставалось на задворках биологии, но в последующие два десятилетия знания о поведении маленьких фрагментов РНК обрели большую важность как в сфере редактирования генома, так и для борьбы с коронавирусами.
В аспирантуре Даудна приобрела особую комбинацию навыков, которая отличала Шостака и других великих ученых: она прекрасно справлялась с проведением экспериментов и также задавала грандиозные вопросы. Она понимала, что дьявол в деталях, но при этом не забывала об общей картине. “Дженнифер была великолепна в лаборатории, потому что делала все быстро и точно, у нее в руках все спорилось, – говорит Шостак. – Но еще мы говорили о том, почему важно задавать поистине грандиозные вопросы”.
Даудна также оказалась отличным командным игроком, что очень радовало Шостака, который сам был таким же, как и Джордж Черч и некоторые другие ученые из Гарвардской медицинской школы. Это видно по количеству соавторов в большинстве ее статей. В научных публикациях первым указывается автор – как правило, молодой исследователь, – который проводил большую часть экспериментов, а последним – научный руководитель или директор лаборатории. Перечисленные в середине обычно выстраиваются по значимости внесенного вклада. В одной из важных статей для журнала Science, с подготовкой которой Даудна помогала в 1989 году, ее имя стоит в середине списка, потому что в то время она была наставником удачливого гарвардского студента-бакалавра, подрабатывавшего в лаборатории, и посчитала, что ведущим автором должен стать студент. В последний год работы в лаборатории Шостака ее имя появилось в списке авторов четырех научных статей в престижных журналах, и во всех них описывалось, как молекулы РНК осуществляют самовоспроизводство[43].
Шостак также отметил готовность и даже желание Даудны решать трудные проблемы. Это стало очевидно ближе к завершению ее работы в лаборатории Шостака в 1989 году. Она поняла, что сможет разобраться в работе фрагментов РНК, осуществляющих самосплайсинг, только если изучит его строение атом за атомом. “В то время считалось, что структура РНК настолько сложна, что ее, возможно, не удастся открыть, – вспоминает Шостак. – Почти никто уже и не пытался”[44].
Знакомство с Джеймсом УотсономПервое выступление Дженнифер Даудны на научной конференции состоялось в лаборатории в Колд-Спринг-Харбор, и Джеймс Уотсон на правах хозяина сидел, как обычно, в первом ряду. Было лето 1987 года, и он организовал семинар, чтобы обсудить “эволюционные события, которые могли дать толчок к появлению живых организмов, ныне существующих на Земле”[45]. Иными словами: как зародилась жизнь?
На конференции главным образом обсуждали недавние открытия, демонстрирующие, что некоторые молекулы РНК способны к самовоспроизводству. Поскольку Шостак не мог участвовать, Даудну, которой было всего двадцать три года, пригласили вместо него представить их работу над созданием самовоспроизводящейся молекулы ДНК. Получив подписанное Уотсоном письмо, адресованное “уважаемой мисс Даудне” (она еще не стала доктором Даудной), она не только тотчас приняла приглашение, но и поместила письмо в рамку.
Ее выступление, основанное на статье, написанной в соавторстве с Шостаком, изобиловало техническими подробностями. “Мы описываем делеции и замены в каталитическом и субстратном доменах самосплайсирующегося интрона”, – начала она. Такое предложение не может не взволновать исследователей-биологов, и Уотсон принялся делать заметки, внимательно слушая. “Я так сильно нервничала, что у меня ладони вспотели”, – вспоминает Даудна. Но по окончании выступления Уотсон поздравил ее, а Том Чек, который провел исследование интронов, проложившее дорогу к статье Даудны и Шостака, наклонился и шепнул: “Отличная работа”[46]
Конец ознакомительного фрагмента.
Текст предоставлен ООО «ЛитРес».
Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию на ЛитРес.
Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.
Примечания
1
Интервью автора с Дженнифер Даудной. Конкурс проводился под эгидой национальной программы First Robotics, основанной неукротимым изобретателем сегвея Дином Кейменом.
2
Интервью, аудио- и видеозаписи, заметки и слайды, предоставленные Дженнифер Даудной, Меган Хохштрассер и Федором Урновым; Walter Isaacson. Ivory Power // Air Mail, 11 апреля 2020 г.
3
Здесь имеется в виду перекличка с английским словом crisp, у которого среди прочего есть значение “резкий”, “решительный” (об ответе, нраве). – Здесь и далее, если не указано иное, прим. перев.
4
См. главу 12, в которой рассказывается о производителях йогуртов и подробнее описывается поэтапный процесс проведения теоретических исследований и внедрения технологических инноваций.
5
Интервью автора с Дженнифер Даудной и Сарой Даудной. При подготовке этого раздела использовались и другие источники: The Life Scientific // BBC Radio. 17 сентября 2017 г.; Andrew Pollack. Jennifer Doudna, a Pioneer Who Helped Simplify Genome Editing // New York Times, 11 мая 2015 г; Claudia Dreifus. The Joy of the Discovery: An Interview with Jennifer Doudna // New York Review of Books. 24 января 2019 г.; интервью с Дженнифер Даудной // Национальная академия наук. 11 ноября 2004 г. Jennifer Doudna. Why Genome Editing Will Change Our Lives // Financial Times. 14 марта 2018 г.; Laura Kiessling. A Conversation with Jennifer Doudna // ACS Chemical Biology Journal. 16 февраля 2018 г.; Melissa Marino. Biography of Jennifer A. Doudna // PNAS. 7 декабря 2004 г.
6
Dreifus. “The Joy of the Discovery.”
7
Интервью автора с Лизой Туигг-Смит и Дженнифер Даудной.
8
Интервью автора с Дженнифер Даудной и Джеймсом Уотсоном.
9
Jennifer Doudna. “How COVID-19 Is Spurring Science to Accelerate” // The Economist, 5 июня 2020 г.
10
При подготовке раздела об истории генетики и ДНК использовались работы Siddhartha Mukherjee. The Gene (Scribner, 2016); Horace Freeland Judson. The Eighth Day of Creation (Touchstone, 1979); Alfred Sturtevant. A History of Genetics (Cold Spring Harbor, 2001); Elof Axel Carlson. Mendel’s Legacy (Cold Spring Harbor, 2004).