Простое начало. Как четыре закона физики формируют живой мир

Работая в качестве бактериальной иммунной системы, CRISPR/Cas использует комплементарность ДНК и РНК (см. главу 3), а также нуклеазную активность белков (способность расщеплять ДНК)18. Белки Cas1 и Cas2 разрезают обнаруженные ими в клетке чужеродные, скорее всего вирусные, молекулы ДНК и вставляют фрагменты в клеточный геном – в самое начало CRISPR-кассеты, добавляя заодно и новый повтор. Таким образом получается, что повторы разграничивают отдельные фрагменты (спейсеры) в библиотеке знакомых клетке вирусных геномов. Далее клетки совершают, казалось бы, безрассудный поступок и транскрибируют цепочку повторов и спейсеров в молекулу pre-crРНК (предшественницу CRISPR-РНК). Как вы помните из главы 3, транскрипция обычно служит первым шагом к синтезу белков, а синтез вирусных белков для клетки может быть опасен. РНК повторов, однако, частично комплементарна tracrРНК (trans-activating crRNA), которая считывается с участка генома поблизости от CRISPR-локуса. Каждый повтор в pre-crРНК спаривается с tracrРНК, после чего с каждым из этих РНК-дуплексов связывается белок Cas9, а особый фермент нарезает pre-crРНК на отдельные crРНК, состоящие из одного спейсера и части повтора. Так образуется набор связанных с Cas9 и скрученных в двойную спираль crРНК/tracrРНК-гибридов со свободно висящим сегментом вирусного происхождения (см. среднюю часть рисунка).
Комплекс РНК-Cas9 бродит по клетке благодаря броуновскому движению. Если среди встречных молекул ДНК ему попадается та, что содержит специфическую короткую и довольно распространенную последовательность нуклеотидов (PAM, protospacer adjacent motif), он прикрепляется к ней в этом самом месте (кстати, та же последовательность помогает Cas1 и Cas2 определять, где разрезать чужеродную ДНК для включения в CRISPR-кассету). Cas9 расшатывает связи между нитями ДНК, по сути расплавляя двойную спираль на небольшом участке. Если однонитевая РНК, которую переносит Cas9, комплементарна одной из распаренных нитей ДНК – а это возможно только с ДНК того же вируса, по фрагменту которого сформирована crРНК, – образуется ДНК-РНК-гибрид. Эта необычная, но стабильная двойная спираль занимает в Cas9 бороздку, «выстланную» положительными электрическими зарядами, которые удерживают сильно электроотрицательные ДНК и РНК на месте (см. нижнюю часть рисунка; ДНК обозначена черным).
Cas9 содержит два нуклеазных домена, способных расщеплять ДНК. Когда белок захватывает ДНК-РНК-спираль, домены меняют ориентацию так, чтобы каждый из них контактировал с одной из нитей вирусной ДНК – той, что соединилась с РНК, и той, что осталась в одиночестве. На рисунке ниже я показал самое радикальное изменение формы, где один из доменов, черная спираль, поворачивается почти на 180 градусов. Cas9 вносит в каждую нить по разрезу, и эта часть вирусного генома теряет функциональность. Белок удаляется: его дело сделано19.
Существуют разные системы CRISPR с разными наборами ассоциированных с ними белков, но я не буду углубляться в это20. Базовый механизм сходен у всех, и потому я сосредоточусь на относительно простом и изящном белке Cas9, который эксплуатируют в большинстве биотехнологических проектов.
CRISPR/Cas9 как бактериальная иммунная система весьма впечатляет, ведь в ней память совмещается с защитой. На своем глубинном уровне она показывает, что миллиарды лет назад Природа решила одну из главных задач генной инженерии: научилась находить целевую последовательность нуклеотидов среди миллионов прочих и вносить в нее изменения. Поиск здесь подразумевает пользование библиотекой вирусных ДНК, а изменение – простое уничтожение расщеплением. Некоторые ученые, однако, догадались, что природные разработки можно подправить, чтобы расширить область их применения и даже сделать их созидательными.
 
В 2012 году группы Дженнифер Даудны из Калифорнийского университета в Беркли и Эмманюэль Шарпантье из Университета Умео в Швеции опубликовали написанную по итогам совместной работы статью, оказавшую мощнейшее влияние на научное сообщество. Авторы изящно демонстрировали редактирующие способности CRISPR/Cas9 за пределами клеток бактерий и архей. Команда Шарпантье открыла tracrРНК и объяснила многие аспекты работы Cas9. Даудна и ее коллеги специализировались на РНК, но в диапазон их исследовательских объектов входил и сложный ландшафт CRISPR-ассоциированных белков. В естественных условиях tracrРНК и crРНК, созданная на базе вируса, вместе направляют Cas9. Даудна и Шарпантье поняли, что заменой вирусной последовательности любой другой можно перепрограммировать Cas9 на желаемый пункт назначения. Кроме того, вместо tracrРНК и crРНК можно использовать соответствующим образом сконструированный и сворачивающийся единый РНК-гид. Следовательно, всего одной легкосинтезируемой нитью РНК и всего одним легкопроизводимым белком Cas9 можно обеспечить точное нацеливание на нужные участки ДНК. Чтобы разрезать ДНК там, где находится определенная последовательность нуклеотидов, надо действовать по следующей инструкции: создать молекулы единого РНК-гида, содержащие ту самую последовательность (вместо T там должны стоять У, как всегда в РНК), добавить к ним Cas9, поместить весь комплекс в интересующую вас систему – и все. Две научные группы показали, что этот метод работает в пробирке, за пределами естественной для него среды микробных клеток. Сообщая о результатах экспериментов в статье 2012 года, авторы назвали получившуюся систему «эффективной, многофункциональной и программируемой» и добавили, что она обладает «солидным потенциалом для решения задач прицельного воздействия на гены и редактирования геномов»21.
Статья Даудны и Шарпантье, представленная на рассмотрение в престижный журнал Science 8 июня 2012 года и опубликованная онлайн 28 июня, привлекла огромное внимание: было очевидно, что в ней описано открытие с грандиозным потенциалом. Исследовательницы получили по 3 миллиона долларов, став в 2015 году лауреатами Премии за прорыв в области естественных наук, учрежденной Марком Цукербергом из Facebook [67], Сергеем Брином из Google и другими титанами технологий. Церемония вручения премии проходит ежегодно среди знаменитостей в Кремниевой долине22.
Но вернемся в 2012 год. Исследовательская группа, возглавляемая Виргиниюсом Шикшнисом из Вильнюсского университета, 6 апреля представила в научный журнал свою статью, где тоже описывала процесс расщепления ДНК in vitro системой CRISPR/Cas9 с проводником в виде вариации tracrРНК/crРНК, но не единой молекулы, а двух РНК-фрагментов23. Статья завершалась сходным выводом: полученные результаты «прокладывают путь к разработке универсальной, программируемой, направляемой РНК» платформы для манипуляций с ДНК. Рукопись бесцеремонно отвергли, и авторы отправили ее в другой журнал. В итоге работу опубликовали лишь в конце сентября, на три месяца позже статьи Даудны и Шарпантье. В науке признание обычно достается тому, кто пришел к финишу первым, и Шикшниса порой называют «забытым человеком CRISPR». Правда, в 2018 году он разделил с Даудной и Шарпантье премию Кавли в области нанотехнологий, размер которой составлял миллион долларов США24. Не приходилось сомневаться, что открытие CRISPR принесет кому-то Нобелевскую премию, вопрос был только, кому и когда. Ответ получили в 2020-м: нобелевскими лауреатами в области химии стали Даудна и Шарпантье.
После первых статей 2012 года появилось множество других, написанных разными научными группами. Так, в 2013-м лаборатории Фэна Чжана (Институт Эли и Эдит Броуд при Массачусетском технологическом институте и Гарварде) и Джорджа Чёрча (Гарвардская медицинская школа) продемонстрировали работу CRISPR/Cas9 в культурах клеток мышей и человека25. Подобно грибам после дождя, в прессе то и дело появлялись материалы, рассчитанные на широкую публику: к 2019 году одна только The New York Times опубликовала больше 100 статей с упоминанием CRISPR. Можно еще многое рассказать об истории изучения CRISPR/Cas, в том числе и о патентных спорах и драмах, проливающих свет на бизнес-составляющую современной науки, однако моя цель – разобрать научную составляющую методов и спектр их применений, а потому вернемся к науке.