Редактируя человечество: Революция CRISPR и новая эра изменения генома

Davies Kevin

Вода выглядит розовой, а соленые корки лагун усыпаны розовато-красными полосами, где кишит микроскопическая жизнь. Красноватый оттенок связан с выработкой каротиноидов – это часть механизма защиты микробов от соли и солнечного света. «Как будто солнцезащитный крем», – смеется Мохика. Цвет меняется в зависимости от степени солености: красный становится розовым при повышении концентрации соли от 10 до 30 %. Те же химические соединения придают оперению фламинго их фирменный розовый оттенок, поскольку они питаются крошечными солоноводными креветками, которые, как и Haloferax, обитают в этих соленых водах в огромном количестве.

Любящие соль археи Аликанте по определению являются экстремофилами – формами жизни, приспособленными для жизни в необычайно суровых условиях, будь то подводные вулканические источники, выжженные пустыни или замерзшая тундра. Для галоферакса концентрации соли в обычной морской воде просто недостаточно. Чтобы жить и развиваться, ему требуется соли в десять раз больше. Воспроизвести подобные условия в лаборатории чрезвычайно трудно,

поэтому эти организмы остаются малоизученными по сравнению со своими дальними бактериальными родственниками. Два основных вида галоферакса – это H. mediterranei и H. volcanii (вторые названы так не потому, что они перепутали соляное озеро с кратером вулкана, а в честь открывшего их израильского ученого Бенджамина Вулкани). Я также чувствую присутствие анаэробных бактерий, благодаря сильному сернистому запаху, распространяющемуся над водой.

Одержимость Мохики солелюбивыми микроорганизмами Санта-Полы привела к впечатляющим результатам в его фундаментальных исследованиях. «Это получение знаний через познание, чтобы расширить знания», – говорит он [89] . По мнению Мохики, ключ к загадке любви галофераксов к соли должен заключаться в их кольцевой молекуле ДНК. Это стало ясно не сразу: первая полная последовательность генома микроорганизма была получена только в 1995 г. группой Клэр Фрейзер и Крейга Вентера, которые также первыми расшифровали полный геном архей двумя годами позже. Лаборатория Мохики не была богатым центром геномных исследований с новейшим оборудованием для секвенирования ДНК. В начале 1990-х для многих ученых секвенирование оставалось обременительным ручным процессом, включавшим в себя заливку большого пласта геля между двумя стеклянными пластинами и последующее разделение радиоактивных фрагментов ДНК по размеру с помощью электрического тока. По полученному изображению лэддера (от англ. ladder – «лестница») на чувствительной рентгеновской пленке Мохика мог «читать» последовательность ДНК.

89

Manuel Ansede, "Francis Mojica, de las salinas a la quiniela del Nobel," El Pais, May 18, 2017, https://elpais.com/elpais/2017/05/18/eps/1495058731_149505.html.

Во время одной из своих первых попыток секвенирования в августе 1992 г. Мохика увидел нечто настолько удивительное, что решил, что все сделал неправильно. Он получил странные повторяющиеся последовательности, каждую длиной около 30 оснований, что он, как и положено, указал в своей первой статье [90] . «Нам просто повезло, – заметил он после секвенирования менее 1 % генома галоферакса. – Это была первая статья, где к CRISPR отнеслись серьезно» [91] . Мохика также обнаружил, что эти повторы, к удивлению, транскрибируются в РНК, что позволяет предположить наличие у них какой-то функции.

90

F. J. M. Mojica et al., Transcription at different salinities of Haloferax mediterranei sequences adjacent to partially modified PstI sites. Molecular Microbiology 9, (1993): 613–621.

91

Термин CRISPR был введен только в 2001 г. Хотя истинного значения открытия Мохики, сделанного в 1993 г., в то время еще не понимали, через 25 лет эта дата будет увековечена на киноэкранах IMAX по всему миру в качестве вступительных титров фильма «Рэмпейдж».

«Когда вы видите что-то необычное, у вас нет другого выхода, кроме как исследовать это. Я подумал, что над этим хорошо было бы продолжить работу», – говорит он, пока мы продолжаем прогулку по солончакам. Он догадывался, что загадочные повторы могут быть как-то связаны с адаптацией к концентрации соли, возможно за счет изменения их конфигурации, а следовательно, активности генов, при регистрации колебаний осмотического давления клетки. «В то время суперспирализация [ДНК] была ответом на все вопросы, связанные с регуляцией экспрессии генов!» Это была хорошая гипотеза, но неверная [92] .

92

Повторы CRISPR не имеют ничего общего с адаптацией к солености. «Это все еще загадка!» – говорит Мохика. Пока он не получил финансирования для дальнейшего изучения вопроса.

Работая в университетской библиотеке в неурочное время, Мохика в конце концов обнаружил статью японских ученых за 1987 г. В ней Ацуо Наката и Йосизуми Исино [93] из Университета Осаки описали аналогичный повторяющийся мотив в геноме E. coli. Секвенируя исследуемый ген, японская группа заметила необычную соседнюю последовательность с характерными повторами, похожими на круги на полях, вырезанные на поверхности ДНК. Этот участок состоял из серии (кластера) коротких повторов палиндромной последовательности (читающихся одинаково в прямом и обратном направлении). Повторы, состоящие из двадцати девяти букв, были отделены друг от друга отрезком уникальной последовательности

из тридцати двух оснований (спейсерами). Однако, поскольку никто до этого не видел ничего подобного и ничто не говорило об их биологической функции, исследователи не придали этому значения. Команда, как положено, описала и опубликовала свои наблюдения, которые в то время не привлекли к себе внимания [94] .

93

Йосизуми Исино – профессор Университета Кюсю. Он изучает репарацию ДНК у термофильных архей и ищет новые CRISPR.

94

Y. Ishino et al., "Nucleotide sequence of the iap gene, responsible for alkaline phosphatase isozyme conversion in Escherichia coli, and identification of the gene product," Journal of Bacteriology 169, (1987): 5429–5433, https://jb.asm.org/content/jb/169/12/5429.full.pdf.

Два года спустя [95] Мохика описал короткую последовательность, повторяющуюся сотни раз в тандемном повторе, охватывающем более 1000 оснований. Между каждой парой таких повторов была уникальная последовательность ДНК с неизвестной функцией. Руководитель Мохики предложил назвать эти повторы, которые также наблюдались у другого экстремофила – архей, любящих вулканы, TREP (от англ. tandem repeats – «тандемные повторы»). Несомненно, должна быть причина, по которой до 2 % драгоценной, компактной ДНК прокариот выделено под эти странные повторы. «Микроорганизмы не могут позволить себе такую роскошь, – думал Мохика. – Они должны выполнять важную функцию» [96] .

95

F. J. M. Mojica et al., "Long stretches of short tandem repeats are present in the largest replicons of the Archaea Haloferax mediterranei and Haloferax volcanii and could be involved in replicon partitioning," Molecular Microbiology 17, (1995): 85–93, DOI: 10.1111/j.1365–2958.1995.mmi_17010085.x.

96

Clara Rodriguez Fernandez, "Interview with Francis Mojica, the Spanish scientist that [sic] discovered CRISPR," Labiotech, November 13, 2017, https://labiotech.eu/francis-mojica-crispr-interview/.

Другие ученые тоже сталкивались с такими повторами. Немецкий микробиолог Бернд Мазеполь ломал голову над фрагментом ДНК с тринадцатью повторами, найденным в цианобактериях, который он назвал LTRR, что означает «длинное тандемно повторяющееся повторение» (от англ. long tandemly repeated repetitive). Однако, сосредоточившись на этих участках ДНК, Мазеполь не обратил внимания на уникальные последовательности, расположенные между ними [97] . Другая команда также была близка к разгадке тайны повторов ДНК. В 2002 г. Евгений Кунин, российский специалист по вычислительной биологии из Национального центра биотехнологической информации при Национальном институте здравоохранения США, и его коллега Кира Макарова описали серию бактериальных генов, которые, как они подозревали, входят в систему репарации ДНК [98] . Вот только они не поняли, что эти гены располагались рядом с участком CRISPR и, как мы вскоре увидим, играли важную роль в работе CRISPR и в редактировании генов.

97

B. Masepohl et al., "Long tandemly repeated repetitive (LTRR) sequences in the filamentous cyanobacterium Anabaena sp. PCC 7120," Biochimica et Biophysica Acta 1307, (1996): 26–30, https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/0167478196000401.

98

K. S. Makarova et al., "A DNA repair system specific for thermophilic Archaea and bacteria predicted by genomic context analysis," Nucleic Acids Research 30, (2002): 482–496, https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC99818/.

После нескольких лет работы в Оксфордском университете Мохика вернулся в Аликанте в 1997 г., чтобы собрать собственную научную группу. Получив небольшое финансирование, Мохика попытался провести несколько недорогих экспериментов, «хотя и понятия не имел о биоинформатике». Вопрос, который не давал покоя, касался происхождения спейсерной ДНК – последовательностей, вкрапленных между повторами. «Искать по базам данных и ждать, когда хоть что-нибудь найдется, несложно, но мы ничего не получали – до 2003 г.». К тому времени базы данных последовательностей ДНК были переполнены геномами бактерий и архей, многие из которых содержали версии этих повторов.

В 2000 г. Мохика переименовал объект своей одержимости в SRSR (от англ. short regularly spaced repeats – «короткие регулярно расположенные повторы»). Это название просуществовало недолго. Позже он обменялся электронными письмами с Руудом Янсеном из Нидерландов, который изучал семейство генов, примыкающих к загадочным повторам. Янсен чувствовал необходимость обозначить открытие как-то иначе, поэтому Мохика предложил CRISPR. 21 ноября 2001 г. Янсен ответил ему, восторженно выразив свое одобрение: