Что такое CRISPR?

История разработки редактора основания началась три миллиарда лет назад. Мы рассматриваем бактерию как источник инфекции, но сами бактерии также подвержены заражению, в частности, вирусами. Около трёх миллиардов лет назад бактерии выработали защитный механизм для борьбы с вирусной инфекцией. Этот защитный механизм теперь широко известен как CRISPR.

CRISPR (от англ. clustered regularly interspaced short palindromic repeats — короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами — особые локусы бактерий и архей, состоящие из прямых повторяющихся последовательностей, которые разделены уникальными последовательностями (спейсерами).

И поражающим элементом CRISPR является лиловый протеин, разрезающий ДНК наподобие молекулярных ножниц, разрывающий двойную спираль на две части. Если бы CRISPR не мог различать ДНК бактерии и вирусов, он не был бы настолько полезным для защитной системы.

Но самая невероятная особенность CRISPR — это возможность «программирования ножниц» на поиск, привязку и вырезание только конкретных частей ДНК. Когда бактерия встречает вирус в первый раз, она может сохранять небольшой фрагмент ДНК этого вируса для использования в качестве программы управления CRISPR для вырезания последовательности ДНК при последующих инфекциях.

Вырезание ДНК вируса мешает работе заражённого гена и прерывает жизненный цикл вируса.

Невероятные исследования Эммануэль Шарпантье, Джорджа Чёрча, Дженнифер Дудна и Фена Джана шесть лет назад продемонстрировали принцип программирования CRISPR для вырезания выбранной последовательности ДНК, включая последовательности в геноме, вместо заражённых последовательностей ДНК, выбираемых бактерией. Но результаты совпали. Вырезание последовательности в геноме также мешает работе разрезанного гена, обычно вызывая вставку и удаление случайных комбинаций нуклеотидов ДНК на стороне разреза.

Нарушение работы генов может быть очень полезным для практических целей. Но в большинстве случаев точковые мутации приводят к генетическим заболеваниям. Простое разрезание уже мутировавшего гена пациентам не поможет, так как необходимо восстановить его работу, а не препятствовать этому. Поэтому разрезание уже мутировавшего гена гемоглобина, вызывающего серповидноклеточную анемию, не восстановит способность пациента вырабатывать здоровые эритроциты. И хотя мы иногда можем вводить последовательности ДНК в клетки для замены последовательностей, окружающих разрез, этот процесс, к сожалению, не происходит в большинстве типов клеток, и эффекты повреждённого гена всё равно преобладают.

Как и многие учёные, я мечтал о будущем, в котором мы сможем лечить или даже излечивать генетические заболевания. Но я ощущал недостаток способов исправить точковые мутации, вызывающие большинство генетических заболеваний у людей, как главную проблему на пути к этому.

Будучи химиком, я начал работать со своими студентами над разработкой способов прямого влияния на основание ДНК человека с целью исправить, а не просто разрушить, вызывающие заболевания мутации. Результат наших усилий — молекулярные машины, называемые «редакторы основания». Они используют программируемый механизм поиска ножниц CRISPR, но вместо разрезания ДНК они напрямую конвертируют одно основание в другое без повреждения остальной части гена. Если представить естественные протеины CRISPR как молекулярные ножницы, то редакторы основания будут карандашами, способными напрямую переписывать нуклеотиды ДНК за счёт преобразования атомов одного основания ДНК в другое основание ДНК.

Редакторы оснований не существуют в природе. В сущности, мы изобрели первый редактор основания из трёх отдельных протеинов, полученных даже не из одного организма. Мы начали с отключения способности ножниц CRISPR разрезать ДНК, оставив способность поиска и связывания целевой последовательности в ДНК по составленному плану. К отключённым ножницам CRISPR, обозначенных синим, мы прикрепили второй протеин, выделенный красным, который осуществляет химическую реакцию на основании нуклеотида С ДНК, превращая его в основание, которое ведёт себя как Т. В-третьих, нам пришлось прикрепить к первым двум протеинам протеин лилового цвета, защищающий отредактированное основание от удаления клеткой. В результате получился протеин из трёх частей, который впервые позволял конвертировать нуклеотиды С в нуклеотиды Т в указанном месте генома.

На даже на этом этапе мы прошли только половину пути. Поскольку для стабильного существования внутри клетки двум цепочкам двойной спирали ДНК необходимо образовать пары оснований. И поскольку С формирует спаренное основание с G, а Т — только с А, простая замена C на Т на одной цепочке ДНК вызывает ошибку спаривания оснований — противоречие между двумя цепочками ДНК, которое клетка должна разрешить, выбрав замену одной из цепочек. Мы поняли, что можно усовершенствовать данный трёхчастный протеин с целью пометить неотредактированные цепочки как те, которые нужно заменить, с помощью никирования данных цепочек. Лёгкое никирование «заставляет» клетку заменить неотредактированный нуклеотид G на А при восстановлении повреждённой цепочки. Таким образом завершается конверсия пары оснований C-G в стабильную пару оснований Т-А.

Несколько лет тяжёлой работы в лаборатории, возглавляемой постдокторантом Алексисом Комором, привели к успеху в развитии первого класса редактора основания, который конвертирует нуклеотиды C в Т и G в А в качестве выбранных целевых позиций. Среди более чем 35 000 известных патогенных точковых мутаций две разновидности, которые первый редактор оснований может обратить, вместе отвечают за 14%, или 5 000, патогенных точковых мутаций. Но исправление большей части патогенных точковых мутаций потребует разработки редактора оснований второго класса, который сможет конвертировать нуклеотиды А в G или Т в C. Под руководством Николь Гауделли, бывшего постдокторанта в лаборатории, мы занялись разработкой второго класса редактора оснований, который, в теории, должен исправить до половины патогенных точковых мутаций, включая вызывающие болезнь преждевременного старения прогерию.

Мы поняли, что сможем снова заимствовать механизм таргетирования ножниц CRISPR, чтобы доставить новый редактор оснований до нужного места в геноме. Однако довольно быстро мы столкнулись с невероятной проблемой. А именно, среди известных протеинов нет такого, который бы конвертировал А в G или T в С внутри ДНК. Столкнувшись с такой серьёзной преградой, большинство студентов стали бы искать другой проект или нового научного руководителя. (Смех) Но Николь согласилась следовать плану, который казался очень амбициозным на тот момент. В отсутствие протеина естественного происхождения, выполняющего необходимую функцию, мы решили выделить собственный протеин в лаборатории для превращения нуклеотида А в основание, ведущее себя как G, начав с протеина, выполняющего похожие функции в РНК. Мы устроили дарвиновскую систему отбора наиболее приспособленного, через которую прошли десятки миллионов вариантов протеинов, и пропустили редкие варианты с химическими свойствами, необходимыми для выживания. Мы остановились на показанном протеине, на первом, который может конвертировать нуклеотид А в ДНК в основание, напоминающее G. Затем мы прикрепили этот протеин к отключённым ножницам CRISPR, показаных синим цветом. Мы создали второй редактор оснований, который превращает нуклеотиды А в G и использует всю ту же стратегию никирования цепочек, использованную в первом редакторе, чтобы «заставить» клетку заменить нередактированный T на С при восстановления никированной цепочки. Таким образом мы завершили процесс конверсии базы A-T в базовую пару G-C.

Будучи университетским учёным в США, я не привык, чтобы меня прерывали аплодисментами.

Мы разработали два первых класса редакторов основания только три и полтора года назад. Но даже за такое короткое время они нашли широкое применение в биомедицинских исследованиях. Редакторы основания были «запущены» более 6 000 раз по запросу более чем 1 000 исследователей по всему миру. Сотня научно-исследовательских работ уже была опубликована после использования редакторов основания на разных организмах, включая бактерии, растения, мышей и приматов.

Хотя редакторы оснований ещё слишком новы для клинических испытаний на людях, учёным удалось достичь важного прорыва в этом направлении за счёт использования редакторов основания на животных для исправления точковых мутаций — причины генетических заболеваний человека. Например, совместная команда учёных под руководством Люка Коблана и Джона Леви, двух присоединившихся в моей лаборатории студентов, недавно использовала вирус для доставки второго редактора основания в ген мыши, болеющей прогерией, заменив патогенный нуклеотид Т на нуклеотид С и обратив его последствия на уровнях ДНК, РНК и протеинов.

Редакторы оснований также использовались на животных для обращения последствий тирозинемии, бета-талассемии, мышечной дистрофии, болезни Феллинга, врождённой глухоты и одного из сердечно-сосудистых заболеваний. В каждом случае с помощью прямого исправления точковой мутации, которая была причиной или причинным фактором заболевания. В случае с растениями редакторы оснований использовались для изменений отдельных нуклеотидов ДНК с целью повышения уровня урожая.

А биологи использовали редакторы оснований для испытания роли отдельных нуклеотидов в генах, связанных с раковыми заболеваниями. Компании, в которых я являюсь учредителем, Beam Therapeutics и Pairwise Plants, используют редактор оснований для лечения генетических заболеваний людей и улучшения методов агрономии. Этим видам применения редактора оснований меньше трёх лет: с точки зрения исторических рамок науки это мгновение.

Предстоит ещё много работы до реализации полного потенциала редакторов оснований с целью улучшить жизни пациентов с генетическими заболеваниями. Хотя многие из этих заболеваний считаются излечимыми путём исправления лежащей в основе мутации даже в самой мелкой части клеток органа, доставка молекулярных машин, таких как редакторы оснований, в клетку человека может быть сложной задачей. Использование природных вирусов для доставки редакторов оснований вместо молекул, вызывающих простуду, — один из нескольких многообещающих способов доставки, использовавшихся с успехом. Продолжать разработку новых молекулярных машин, поддерживающих оставшиеся методы конверсии одного парного основания в другое и снижающих нежелательное редактирование нецелевых мест в клетках, очень важно. Взаимодействие с учёными, врачами, специалистами по этике и правительствами для увеличения вероятности безопасного и этического применения редактирования основания остаётся важнейшей обязанностью.

Несмотря на все эти сложности, если бы мне ещё пять лет назад сказали, что исследователи по всему миру будут использовать выращенные в лаборатории молекулярные машины для прямой конверсии одной пары оснований в другую пару в конкретной точке человеческого генома эффективно и с минимальными побочными эффектами, я бы спросил: «Что за научную фантастику вы читаете?» Благодаря героическому упорству группы студентов, достаточно креативных для разработки того, что нам удалось разработать, и достаточно смелых для выведения того, что нам не удалось, редактирование основания начало превращать научно-фантастические мечты в удивительную новую реальность, в которой самым важным подарком наши детям может быть не только три миллиарда пар нуклеотидов ДНК, но и средства их защиты и исправления.