Просто геном

© ООО «Страта», 2020

Генетика. Краткая история открытий

1865 год – австрийский биолог Грегор Мендель открыл факторы наследственности и разработал гибридологический метод, т. е. правила скрещивания организмов и учета признаков у их потомства

1868 год – швейцарский биохимик Фридрих Мишер выделил из спермы лосося фосфорсодержащее вещество, происходящее из клеточных ядер, которое назвал нуклеином (теперь его называют дезоксирибонуклеиновой кислотой)

1875 год – впервые продемонстрирована возможность использования близнецов для изучения относительного влияния на организм наследственности и окружающей среды

1900 год – опубликованы три независимые рыботы с изложением основных законов наследования. Год считается формальным рождением генетики как науки

1902 год – впервые появилась хромосомная теория наследственности

1905 год – английский биолог Уильям Бэтсон предложил слово «генетика» (от греч. γιγνομαι – порождать) для нового направления науки

1909 год – датский биолог Вильгельм Иогансен предложил термин «генотип»

1910 год – американский биолог Томас Морган установил, что гены расположены в хромосомах в линейном порядке, образуя группы сцепления, и закономерности наследования по половому признаку

1920 год – немецкий генетик Ганс Винклер предложил термин «геном»

1922 год – русский генетик Николай Вавилов сформулировал «закон гомологических рядов» о параллелизме в изменчивости родственных групп растений, то есть о генетической близости этих групп

1926 год – русский генетик Сергей Четвериков опубликовал статью, заложившую основы популяционной генетики и синтеза генетики и теории эволюции

1927 год – американский генетик Герман Мёллер доказал мутационный эффект рентгеновских лучей

1929-1930 годы – впервые продемонстрирована сложная природа организации гена, сделаны первые реальные шаги на пути создания современного представления о тонкой структуре гена

1935 год – осуществлено экспериментальное определение размеров гена. Получена трактовка гена с позиций квантовой механики, тем самым создан фундамент для открытия структуры ДНК

1944 год – начало эры ДНК

1944 год – советский вирусолог Лев Зильбер сформулировал вирусно-генетическую теорию рака

1951 год – получена первая рентгеннограмма молекулы ДНК

1953 год – Френсис Крик и Джеймс Уотсон, британский и американский биологи, создали структурную модель ДНК в форме двойной спирали

1956 год – установлено число диплоидного набора хромосом у человека: 46

1961 год – начата расшифровка «языка жизни» – кода, которым в ДНК записана информация о структуре белковых молекул

1962 год – осуществлено первое клонирование животного организма, лягушки

1970 год – выделена первая рестриктаза – фермент, разрезающий ДНК в строго определенных местах

1972 год – заложены основы генной инженерии

1973 год – разработана стратегия переноса генов в бактериальную клетку

1978 год – осуществлен перенос гена инсулина в бактериальную клетку, где на нем синтезирован белок проинсулин

1980 год – получена первая трансгенная мышь 1984 год – открыты регуляторные гены, ответственные за построение общего плана тела животных 1984 год – создан метод геномной дактилоскопии, в котором последовательности ДНК используются для идентификации личности

1987 год – созданы первые дрожжевые искусственные хромосомы YAC, сыгравшие серьезную роль как векторы для клонирования больших фрагментов геномов

1988 год – создан проект «Геном человека» Национального института здоровья США. Инициатором и руководителем проекта стал знаменитый учёный Джеймс Уотсон

1988 год – предложен метод «нокаута» генов

1990 год – в СССР и в США, а затем в Англии, Франции, Германии, Японии, Китае начали работать научные программы по расшифровке генома человека

1990 год – идентифицирован первый ген человека, ответственный за наследственное заболевание

1990 год – проведено первое успешное лечение наследственного иммунодефицита с помощью генной терапии

1994 год – представлено первое коммерчески выращенное ГМО-растение, одобренное для потребления человеком: медленно созревающий томат Flavr Savr

1995 год – геномика становится самостоятельным разделом генетики

1997 год – впервые клонировано млекопитающее: овца Долли

1998 год – расшифровано около 3 % генома человека

1999 год – клонированы мышь и корова

2001 год – опубликован первый вариант генома

2002 год – полностью расшифрован геном мыши

2003 год – 99 % генома человека секвенировано с точностью 99,9 %

2005 год – реализован проект «Геногеография», исследующий изменчивость ДНК и Y-хромосом населения Земли с целью составления детального генетического атласа народов мира

2007 год – обнаружен ген роста у человека

2008 год – стартовал международный проект по расшифровке геномов тысячи человек

2009 год – завершена расшифровка генома неандертальца

2012 год – американский биохимик Дженнифер Дудна и французский микробиолог Эммануэль Шарпентье опубликовали работу о механизме CRISPR/Cas9 и возможностях его использования в качестве технологии геномного редактирования

2015 год – впервые применен генный дрейф к плодовой мухе

2015 год – четыре независимые лаборатории внедрили CRISPR мышам, страдающим мышечной дистрофией, и доказали, что разрушительное действие болезни можно обратить вспять

2015 год – впервые ввели CRISPR в 86 человеческих эмбрионов

К 2016 году – проведено более 2 тысяч испытаний генной терапии различных заболеваний; появились первые протесты по поводу технологии CRISPR

2017 год – впервые отредактирован геном живого человека

2017 год – впервые на ДНК записан музыкальный файл

2018 год – впервые проведен транскрипционный анализ единичных клеток в развивающемся эмбрионе, позволяющий по-новому оценить ранние механизмы эмбрионального развития и устранить генетические поломки

2019 год – стартовали испытания антираковой CRISPR-терапии на людях. Предварительные данные свидетельствуют о ее безопасности и отсутствии побочных эффектов

2019 год – технология CRISPR модифицирована для одновременного редактирования нескольких генов

2019 год – разработан метод праймированного редактирования. Его создатели добавили к ферменту Cas9 два новых компонента – позаимствованный у вируса белок обратную транскриптазу и специальную гидовую РНК (pegRNA). Получившийся в результате инструмент разрезает только одну нить ДНК, что снижает риск ошибок. Успешность данной методики составляет 20-50 % по сравнению с 10 % у обычной CRISPR

Введение

Эта книга расскажет о поразительном революционном открытии, благодаря которому появилась возможность менять многие процессы, касающиеся науки и жизни людей. Речь пойдёт о сравнительно недавней сенсации в мире науки: генном редактировании при помощи технологии CRISPR/Cas9. Что это такое и для чего она может быть полезна?

Геном представляет собой целый набор наследственного материала, заключённого в наших клетках. В геноме человека содержатся тысячи кодирующих белки генов, манипулируя которыми учёные смогли открыть дверь невероятным возможностям: от лечения генетических, онкологических заболеваний и даже ВИЧ до выбора наследственности и внешности будущего ребёнка. Технологии генного редактирования с течением времени появлялись одна за другой и увенчались генно-инженерным прорывом – появлением метода CRISPR/Cas9.

Генное редактирование при помощи инструмента CRISPR/Cas9 обещает изменить наш мир намного быстрее, чем мы думаем, – эта волшебная палочка в руках учёных позволяет осуществлять направленное действие в определённых участках генома высших живых организмов, в результате чего стало возможным создавать генную терапию для лечения заболеваний, изобретать новые лекарства, исправлять врождённые генетические нарушения и даже осуществлять фантастическую, казалось бы, пересадку органов. Более того, при помощи этого мощного инструмента появилась возможность создавать животных-мутантов и даже уничтожать целые популяции вредных существ – от переносящих болезни москитов до грызунов. С помощью генного редактирования можно менять даже вкус и цвет привычных нам овощей и фруктов. Генное программирование представляет собой очень внушительный, полезный и в то же время опасный инструмент, в чём у читателей будет возможность убедиться далее.

Дженнифер Дудна – американский учёный, профессор химии, молекулярной и клеточной биологии. Одна из первопроходцев в области изучения и исследований редактирования генов

Дженнифер Дудна провела фундаментальные исследования в области революционной CRISPR/Cas9 – технологии редактирования генома, основанной на инструментах иммунной системы бактерий. При помощи технологии CRISPR/Cas9 стало возможным легко и быстро перемещать гены – любые гены в любых живых существах – от бактерий до человека. Труды Дженнифер Дудны посвящены структурной биологии и биохимии. Благодаря фундаментальной работе и лидерству в развитии редактирования генома с помощью CRISPR/ Cas9 она является ведущей фигурой в революции CRISPR.

За изобретение технологии CRISPR/ Cas9 Дудна была удостоена многих самых выдающихся наград, в том числе «Премии прорыва» в области медицины. Также она вошла в число сотни самых влиятельных людей в мире. В 2016 году Дудна имела честь быть избранной иностранным членом Королевского общества. Дженнифер Дудна представила всему миру метод CRISPR/ Cas9 и показала его значение для нашего будущего.

По словам известного американского учёного и профессора генетики Гарвардской медицинской школы Джорджа Чёрча, Дженнифер Дудна – истинный пионер в области исследований редактирования генома, построивший мост между фундаментальной технологией CRISPR/Cas9 и разнообразными возможностями её применения для пользы науки в целом и людей в частности.

Коллега и сподвижник Дженнифер Дудны Самуэль Штернберг – исследователь-биохимик и автор многочисленных известных научных публикаций на на тему технологии CRISPR/Cas9. Он руководит исследовательской лабораторией в Колумбийском университете; где занимает пост доцента кафедры биохимии и молекулярной биофизики. Самуэль – биохимик, работающий в области исследования РНК и эксперт в области технологии CRISPR/Cas9.

Революционная биотехнология, которая была создана Дудной и Штернбергом не так давно, развивается очень быстро, и ее значение огромно не только для наук о жизни, но и для самой жизни на Земле. Всё, о чём написано далее, имеет прямое отношение к читателям, поскольку совсем скоро последствия развития этой технологии постучатся в наши двери.

Полагаю, через 20 лет все мы будем обладать геномной последовательностью, записанной на маленький чип, и в случае болезни эта информация поможет назначить лечение, нацеленное на нас.

Для целого ряда генетических заболеваний, имеющих специфическую известную причину, за 20 лет будут найдены способы терапии, основанные на технологии CRISPR/Cas9. Таким образом, генная терапия – это то, что будет востребовано для лечения определенных типов генетических заболеваний.

И в других областях и науках – одновременно в сельском хозяйстве и синтетической биологии – произойдут значительные изменения, которые позволят растениям лучше адаптироваться к изменениям климата, а таким организмам, как грибы, гораздо проще производить экологически чистые химические вещества и биотопливо.

Таким образом, я считаю, все эти явления мы непременно увидим через 20 лет.

Генный код взломан

Люди на протяжении тысячелетий меняли физический мир, но результаты перемен никогда не были такими драматичными, как сегодняшние. Индустриализация повлекла за собой изменение климата, угрожающее экосистемам во всем мире. Деятельность человека послужила причиной многих других явлений, которые сложно переоценить – например, вымирание целых городов и сокращеие популяций живых существ, с которыми мы разделяем планету. Эти преобразования побудили геологов предложить переименовать эпоху в антропоцен – эпоху человека, играющего важнейшую роль в экосистеме Земли. Биологический мир также претерпевает глубокие антропогенные изменения, обусловленные различными формами влияния деятельности человека на природу.

Миллиарды лет жизнь протекала в соответствии с теорией эволюции Дарвина: организмы развивались путём прохождения через ряд генетических изменений, которые включали в себя выживание и репродукцию (до недавнего времени и наш вид формировался подобным образом: действительно, до некоторых пор пор люди были полностью подвластны данному процессу). Но 10 тысяч лет назад появилось сельское хозяйство, человек грубо вмешался в процесс эволюции, пустив в ход селекцию растений и животных. Основной материал, случайные мутации ДНК, всё же генерировался спонтанно. В результате усилия человека по преобразованию того, что дала природа, имели всё же ограниченный успех.

Сегодня учёным удалось полностью взять этот естественный процесс под свой контроль. Применяя мощные биотехнологические инструменты для работы с ДНК внутри живых клеток, учёные теперь могут манипулировать и рационально модифицировать генетический код, который определяет каждый вид на планете, включая наш собственный. А благодаря новейшему и, пожалуй, наиболее эффективному инструменту генной инженерии, CRISPR-Cas9 (для краткости будем называть его просто CRISPR), геном – состав ДНК организма, включая все его гены, – стал почти таким же легко редактируемым, как и простой текстовый документ на компьютере.

Например, если известен генетический код определенного признака, присущего конкретному живому организму, той или иной черты, характеризующей именно его, учёные могут использовать CRISPR-технологию для вставки, редактирования или удаления соответствующего гена в геноме практически любого растения или животного. Этот процесс намного проще и эффективнее, чем любая другая существующая на сегодняшний день технология манипуляции генами. Практически в одночасье мы оказались на пороге новой эры генной инженерии и биологического мастерства – революционной эры, в которой возможности ограничены только нашим коллективным воображением.

Царство животных было первым и в ту пору самым большим испытательным полигоном для нового инструмента редактирования генов. Например, учёные использовали CRISPR для создания генетически улучшенной версии гончих, создавая собак с чрезвычайно развитым мышечным телосложением путем внесения буквенных изменений ДНК в ген, который контролирует формирование мышечной массы. В другом случае, путем инактивации гена, который реагирует на гормон роста в геноме свиньи, исследователи создали микросвиней, – поросят размером не больше обычных кошек, что сделало возможным заводить их как забавных домашних питомцев. Учёные проделали нечто подобное и с кашемировыми горными козами, отредактировав геном животных с помощью CRISPR так, что козы вырастали, обладая большей мышечной массой (что позволяет получать от животных больше мяса), и более длинной шерстью (то есть с большим количеством кашемировых волокон). Генетики используют CRISPR даже для того, чтобы преобразовать ДНК азиатских слонов в нечто такое, что больше будет напоминать ДНК мамонта, с надеждой когда-нибудь возродить этого вымершего зверя.

Между тем, в растительном мире CRISPR широко используется для редактирования геномов сельскохозяйственных культур – учёные прокладывают путь к таким достижениям в сельском хозяйстве, которые могли бы значительно улучшить рацион питания людей и укрепить продовольственную безопасность в мире. Эксперименты по редактированию генов растений позволили получить устойчивый к болезням и поражениям рис; томаты, которые портятся медленнее, чем обычные; соевые бобы с более высоким содержанием полиненасыщенных жиров и картофель с пониженным содержанием потенциального нейротоксина. Специалисты в области пищевых продуктов достигают этих улучшений не с помощью трансгенных методов – введения ДНК одного вида в геном другого вида, – но путем точной генетической модернизации, включающей изменения только нескольких букв собственной ДНК организма.

Именно влияние редактирования генов на виды живых существ открывает как величайшую перспективу, так и, возможно, величайшую опасность для будущего человечества. Как это ни парадоксально, некоторые из преимуществ для здоровья человека могут быть достигнуты путём применения CRISPR к животным или даже насекомым. В недавнихэкспериментах CRISPR использовался для «очеловечевания» ДНК свиней, что давало исследователям надежду на то, что эти животные когда-нибудь станут донорами органов для людей. CRISPR также применяется к геномам новых штаммов комаров, что является частью плана по быстрому внедрению новых генетических особенностей в популяции диких комаров. Учёные надеются в конечном итоге искоренить болезни, переносимые комарами, такие как малярия и вирус Зика, известный своими неврологическими осложнениями, а возможно, и вовсе уничтожить самих переносящих болезни комаров, как вид.

Для лечения многих заболеваний, поражающих людей, CRISPR предлагает возможность редактировать и восстанавливать мутантные гены непосредственно в организмах пациентов, страдающих тем или иным заболеванием. Пока учёные видят лишь проблеск возможностей CRISPR, но то, что исследователям уже удалось обнаружить за последние несколько лет, поистине впечатляет. В клетках человека, выращенных в лабораторных условиях, эта новая технология редактирования генов использовалась для исправления мутаций, вызывающих такие заболевания, как муковисцидоз, серповидноклеточная анемия, некоторые формы слепоты, тяжелый комбинированный иммунодефицит, а также многих других расстройств. CRISPR позволяет учёным совершать открытия и огромные скачки в науке путём поиска, отслеживания и исправления неправильных состовляющих ДНК.

Также на сегодняшний день стало возможным проведение различных манипуляций и перестановок составляющих человеческого генома. Исследователям уже удалось исправить ошибки в ДНК, которые являются причиной мышечной дистрофии Дюшенна, – серьезного генетического заболевания, которое вызвано мутацией в гене дистрофина, путём удаления только поврежденной области мутированного гена, оставляя остальную его часть нетронутой. В случае с гемофилией исследователи применили CRISPR для точной перестройки букв ДНК, которые инвертированы в геномах пациентов. CRISPR может использоваться даже для лечения ВИЧ-инфекции и СПИДа, – этого можно достичь либо путем вырезания ДНК вируса из инфицированных клеток либо путем редактирования ДНК пациента таким образом, чтобы все его клетки полностью избежали заражения инфекцией.

Список возможностей редактирования генов с целью терапии и профилактики различных заболеваний можно продолжать долго. Поскольку CRISPR позволяет осуществлять точное и относительно простое редактирование ДНК, данная технология превратила каждую генетическую болезнь – по крайней мере, каждую болезнь, в основе которой лежит та или иная генетическая мутация, – в потенциально поддающуюся лечению мишень. Врачи уже начали лечить некоторые виды такой зловещей болезни, как раковая опухоль, иммунными клетками, в геномы которых добавлены отредактированные гены таким образом, чтобы они стали способны выследить раковые клетки. Несмотря на то что нам предстоит пройти ещё длинный путь, прежде чем использование технологии CRISPR станет панацеей для подавляющего большинства людей с различными заболеваниями и будет использоваться в терапевтических целях повсеместно, её потенциал очевиден. Редактирование генов обещает изменить наше будущее и даже даст возможность спасать человеческие жизни.

Но у технологии CRISPR есть и другие важные особенности: её можно использовать не только для лечения заболеваний у живых людей, но и для предотвращения болезней у малышей, которые пока в материнском чреве. Технология CRISPR настолько проста и эффективна, что учёные могут использовать её для изменения зародыша человека – того объёма генетической информации, который соединяет одно поколение с другим. И, несомненно, эта технология когда-нибудь будет использоваться для изменения генома нашего собственного вида наследственными способами, навсегда изменяя генетический состав человечества.

Если редактирование генов у людей предположительно является безопасным и эффективным методом коррекции различных патологических состояний, то вполне логично и даже предпочтительно пытаться исправить вызывающие болезни мутации на самой ранней стадии зарождения жизни, то есть до того, как вредные гены начнут сеять вокруг себя хаос. Но нужно учитывать и то, что как только станет возможным преобразовывать мутантные гены эмбриона в «нормальные», у экспериментаторов непременно возникнет соблазн отредактировать и нормальные, обычные гены, до возможных улучшенных их версий.

Только представьте, что случится, если мы начнем редактировать гены у нерожденных детей для того, чтобы снизить у них риск сердечно-сосудистых заболеваний на протяжении всей будущей жизни? Или для того, чтобы снизить риск возникновения болезни Альцгеймера, диабета или рака? Если человечество будет способно достичь таких высот, то почему бы заодно не наделить нерожденных детей ещё парочкой полезных качеств, таких, например, как мышечная сверхсила и повышенные когнитивные способности, или же вовсе изменить физические качества будущих детей, наделив их цветом глаз и волос по своему желанию? Стремление к совершенству присуще человеческой природе, но если мы ступим на эту дорогу и начнем спускаться по такому скользкому склону, нам может не понравиться итог.

Итак, на сегодняшний день сложилась следующая ситуация: в течение примерно ста тысяч лет существования современных людей геном вида homo sapiens, человека разумного, был сформирован путём случайных мутаций и естественного отбора. Теперь, впервые в истории, мы обладаем способностью редактировать не только ДНК каждого живого человека, но и ДНК будущих поколений – по сути, мы можем управлять эволюцией нашего собственного вида. Это беспрецедентный случай в истории жизни на Земле. Это за пределами нашего понимания. И это заставляет нас задаться важным и сложным вопросом: что же мы, люди, противоречивые во многом существа, будем делать с такой удивительной силой, с этой потрясающей возможностью?

В 2012 году Дженнифер Дудна и её коллеги опубликовали исследовательскую работу, которая легла в основу редактирования генов с помощью использования CRISPR-технологии. Данная работа изначально была мотивирована любопытством по поводу совершенно остранённого от данной темы предмета, – учёных интересовало, как бактерии защищаются от вирусной инфекции. Тем не менее, в ходе исследования бактериальной иммунной системы, называемой CRISPR/Cas9, учёные раскрыли работу невероятной молекулярной машины, которая могла бы с исключительной точностью разрезать вирусную ДНК. Польза этой же машины для выполнения ДНК-манипуляций в других типах клеток, включая клетки человека, исследователям стала очевидна сразу. Вскоре данная технология получила широкое распространение и стала быстро развиваться, вовлекаясь во всё большее количество научных экспериментов.

К тому времени, когда учёные применили CRISPR-технологию к эмбрионам приматов для создания первых обезьян с отредактированными генами, они задались вопросом: сколько времени пройдет, прежде чем кто-нибудь из исследователей рискнёт повторить подобное на людях?

Как биохимик, Дженнифер Дудна всего лишь внедрила технологию CRISPR в науку открыв учёным простор для экспериментов. Дженнифер никогда не работала с моделями животных, человеческими тканями или пациентами, её рабочая зона ограничивалась краями чашки Петри и пробирками в лаборатории. И все же Дудна не переставала наблюдать за тем, как технология, которую она помогла создать, использовалась для того, чтобы радикально изменить как человеческий вид, так и мир, в котором мы живем. Будет ли это непреднамеренно расширять социальное или генетическое неравенство или ознаменует новое научное движение? К каким последствиям мы должны подготовиться после такого важного открытия в генной инженерии?