Не порезаться генетическими ножницами

Л ауреатами Нобелевской премия по химии за 2020 год названы профессор и директор Института инфекционной биологии Общества Макса Планка француженка Эммануэль Шарпантье и профессор Калифорнийского университета в Беркли, исследователь Медицинского института Говарда Хьюза Дженнифер Дудна. Премия присуждена за разработку метода редактирования генома, впервые описанного в их общей статье 2012 года, в которой они предположили, что механизм CRISPR/Cas9 (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) может быть использован для запрограммированного редактирования генов. Члены Нобелевского комитета подчеркнули, что это стало одним из самых важных открытий в области генной инженерии. «Используя такие “генетические ножницы”, исследователи могут вносить изменения в ДНК животных, растений и микроорганизмов с чрезвычайно высокой точностью».

Конечно, возникает вопрос: почему за работы в области, казалось бы, биологии, дана премия по химии? Как объяснила нам заместитель декана химического факультета МГУ по научной работе доктор химических наук Мария Зверева, «по сути, метод, за который дана премия, — это метод направленного изменения биохимической молекулы. Для меня то, что это Нобелевская премия именно по химии, в общем-то, очевидно. И, например, на нашем факультете около трети сотрудников работают в области, в той или иной степени связанной с химией живых организмов и с медицинской химией. А премии за эти достижения ожидали все последние годы, потому что эта технология сильно изменила возможности исследователей».

 

Кому Нобель, а кому патент

Как пояснил заведующий лабораторией клеточных технологий НМИЦ эндокринологии Минздрава России доктор биологических наук Сергей Киселев, геномное редактирование появилось в XX веке, но принципиальное отличие сегодняшней технологии, в основе которой лежит открытие, сделанное лауреатами, состоит в том, что ее можно применять очень быстро и эффективно. Для того чтобы провести генетическую модификацию, в конце XX века требовалось примерно два года, в начале XXI века — год, а с помощью системы геномного редактирования CRISPR/Cas генетическую модификацию в клетке мы можем провести за неделю.

Профессор Сколковского института науки и технологий Константин Северинов так пояснил механизм работы CRISPR/Cas: «Раньше считалось, что только наивысшие млекопитающие, например человек, обладают свойством адаптивного иммунного ответа: если мы один раз оказались инфицированы, то второй раз мы не будем заболевать от этой инфекции. Но оказалось, что у бактерий тоже есть такой адаптивный иммунный ответ. Он устроен идеологически очень близко, а технически немного по-другому. И это устройство адаптивного иммунного ответа бактерий легло в основу системы геномного редактирования CRISPR/Cas. А Дженнифер и Эммануэль продемонстрировали, что бактериальный белок Cas, который называют генетическими ножницами, можно запрограммировать не для того, чтобы он раскусывал ДНК вируса бактерий, а для того, чтобы он раскусывал вообще любую последовательность ДНК, ту, которая вас интересует как ученого».

Буквально через полгода после публикации Шарпантье и Дудны группа Джорджа Черча и его бывшего аспиранта Чжан Фэна из Института Броуда в MIT показали, что бактериальный белок Cas9 и гид РНК способны узнавать и направленно разрезать ДНК в клетках высших организмов, в частности человека. MIT успел подать заявку на патент на день раньше, чем Беркли, где работали нынешние нобелевские лауреаты. С тех пор между университетом Беркли и MIT начались патентные войны, которые продолжаются до сих пор. И хотя сотрудники MIT не получили Нобелевской премии, они, насколько известно, близки к выигрышу в патентном споре, что может привести и к рыночной победе. Ведь с помощью этой технологии можно целенаправленно создавать новые сельскохозяйственные растения, животных, минуя стандартные этапы традиционной селекции, а в будущем, как заметил Северинов, по-видимому, можно будет лечить и ряд человеческих болезней. «Потому что часть наших болезней имеет четко определенную генетическую природу, то есть вызнаны мутациями в нашей ДНК, и, соответственно, с помощью CRISPR-Cas-ножниц можно будет пытаться эти мутации исправить». Так что желающим коммерциализировать технологию в будущем придется платить огромные суммы за лицензию патентообладателю.

 

Российский след

Как рассказал Константин Северинов, литовский ученый Виргиниюс Шикшнис, которого ранее тоже выдвигали на Нобелевскую премию, но безуспешно, очень близко подошел к результатам, которые опубликовали в своей статье 2012 года Дудна и Шарпантье. Но его статья, к сожалению, слишком долго «гуляла» по журналам и не была опубликована вовремя. Шикшнис и сейчас работает в Вильнюсе в институте биотехнологии Литовской академии наук, которая ранее входила в систему АН СССР.

Сергей Киселев рассказал, что большой вклад в изучение свойств адаптивной иммунной системы бактерий внесли и наши соотечественники — Александр Болотин и Жорж Сорокин, которые сейчас работают в Париже и опубликовали одну из ключевых работ по системе CRISPR. А большую роль в открытии защитной функции и механизма работы системы CRISPR/Cas сыграли работы нашего бывшего соотечественника Евгения Кунина, который работает в США.

Как отметил Константин Северинов, несмотря на то что эта область науки начала активно развиваться примерно после 2007 года, к настоящему времени общий объем публикаций на эту тему составил уже около 20 тыс. статей. К сожалению, в России их всего около 200, при этом более половины написаны в лаборатории Северинова.

 

Опасная технология

В 2015 году китайские ученые предприняли попытку исправить геном человеческого эмбриона. В клетку были введены белок Cas9 и РНК-гид, которые должны были найти и «раскусить» неправильную копию гена с последующей репарацией по здоровой матрице. В результате эксперимента в 5–10% эмбрионов мутация, ответственная за возникновение болезни у взрослых людей, действительно была исправлена. Но проблема заключалась в том, что во всех клетках пролеченных эмбрионов присутствовало большое количество мутаций, которые появились вовсе не там, где предполагалось.

Многие ведущие ученые обеспокоены еще и тем, что потенциально технология может быть использована в интересах евгеники, для создания генетической дискриминации. Тем не менее в разговоре с ВВС Дженнифер Дудна сказала: «Я не хочу давать невыполнимых обещаний, но мне кажется, что это поможет положить конец болезням, — и мы должны дать ученым и врачам шанс претворить это в жизнь».

Несмотря на китайскую историю CRISPR/Cas9 не прекратили испытывать на людях — правда, уже не на эмбрионах. В 2016 году в Китае начались опыты по редактированию генома взрослого человека, больного раком легких, но результаты исследования еще не опубликованы. В 2019 году в США приступили к двум испытаниям технологии CRISPR/Cas9: одно направлено на борьбу с тремя типами рака, другое — на серповидноклеточную анемию.