Редактируя человечество: Революция CRISPR и новая эра изменения генома

Davies Kevin

Когда я учился на генетика в 1980-х гг., то входил в группу ученых, отчаянно занимавшихся поиском дефектных генов в геноме человека, вызывающих мышечную дистрофию Дюшенна (МДД) и муковисцидоз (кистозный фиброз). Мы были буквально генетическими детективами, которые охотятся за генами и мутациями, угрожающими жизни человека или сокращающими ее продолжительность [12] . В нашей лаборатории в больнице Святой Марии в Лондоне мы знакомились с пациентами, среди них были подростки с муковисцидозом, которым повезет, если они доживут до 20 лет. Обнаружение мутировавших генов у больных кистозным фиброзом, мышечной дистрофией Дюшенна и другими заболеваниями дало нам надежду на то, что открытие метода излечения этих недугов уже не за горами. В то время были популярны лозунги «От гена к лекарству» и «От лаборатории к больничной койке», предвещавшие революцию в молекулярной медицине. Каждые несколько лет медицина будущего получала новое название – персонализированная медицина, прецизионная, геномная или индивидуализированная, как если бы смена названия могла победить судьбу.

12

Однажды в середине 1980-х Фрэнсис Коллинз позировал

фотокорреспонденту в лабораторном халате с иголкой в руках перед огромным снопом сена – точная метафора о ДНК-детективах, выискивающих в геноме единственную орфографическую ошибку среди трех миллиардов букв. – Здесь и далее примечания автора, если не указано иное.

В 1990 г. – с началом проекта «Геном человека» – я навсегда снял свой лабораторный халат. Мой момент озарения наступил, когда я наткнулся на объявление о приеме на работу в журнал Nature. Что ж, подумал я, это один из способов, чтобы мое имя попало на страницы самого известного в мире научного издания. Меня принял на работу главный редактор, сэр Джон Мэддокс. Через два года он предоставил мне возможность возглавить первый дочерний журнал из серии Nature – Nature Genetics [13] . На конференции в 1993 г., посвященной первому году выпуска, я влился в тщательно подобранную команду звезд, включая Фрэнсиса Коллинза, Крейга Вентера и Мэри-Клэр Кинг, которая за ужином вдохновила меня на работу над первой книгой.

13

Kevin Davies, "Nature, genetics and the Niven factor," Nature Genetics 39, (2007): 805–806, https://www.nature.com/articles/ng0707–805.

Написанная вместе с моим покойным другом Майклом Уайтом книга «Прорыв» (Breakthrough) повествовала о блестящем генетике из Калифорнийского университета в Беркли, который в 1990 г. картировал на хромосоме ген, связанный с раком молочной железы, BRCA1. В 1994 г., через несколько недель после того, как компания Myriad Genetics обогнала Кинг в гонке на выделение этого гена, организаторы крупной генетической конференции в Монреале созвали пленарное заседание, чтобы отметить широко разрекламированный успех Myriad. Кинг удалось перетянуть все внимание на себя: она предоставила данные по целым семьям, у которых ее команда обнаружила специфические мутации BRCA1, способные вызвать то, что британский журналист Джон Даймонд назвал «цитологической анархией рака и смерти».

Кинг убеждала всех, что для нее не имело значения, кто выиграл гонку по обнаружению гена BRCA1: победив или проиграв, ее команда будет работать в лаборатории, изучая случаи мутаций в семьях. По ее словам, важно отличать реальность от безумия СМИ. «Домыслы в статьях The New York Times, в "60 минутах", выдумки парней на мотоциклах из журнала Time» – таковы были выпады в адрес Фрэнсиса Коллинза, ее бывшего партнера по исследованиям. По словам Кинг, реальность заключается в следующем:

У нас есть ген, а мы не знаем его предназначения и отлично понимаем, что за двадцать лет нашей работы над этим проектом более миллиона женщин уже умерли от рака молочной железы. Мы очень надеемся, что сделанное нами в течение следующих двадцати лет предотвратит смерть от этой болезни другого миллиона женщин [14] .

Мэри-Клэр Кинг аплодировали стоя. Два десятилетия спустя в результате судебного процесса, проведенного на основании спора о генетическом тестировании на мутации гена BRCA1, Верховный суд США единогласным решением запретил выдачу патентов на гены [15] .

14

Kevin Davies and Michael White, Breakthrough: The Race to Find the Breast Cancer Gene (New York: John Wiley & Sons, 1995).

15

Adam Liptak, "Justices, 9–0, Bar Patenting Human Genes," The New York Times, June 13, 2013, https://www.nytimes.com/2013/06/14/us/supreme-court-rules-human-genes-may-not-be-patented.html.

Моя следующая книга «Расшифровка генома» (Cracking the Genome) была посвящена биологическому эквиваленту высадки человека на Луну – проекту «Геном человека», который привел к ожесточенной вражде между консорциумом под руководством Коллинза и захватившей власть группой с частным финансированием, возглавляемой Крейгом Вентером [16] . Командный центр его компании Celera Genomics с двумя огромными видеоэкранами больше походил на капитанский мостик звездолета «Энтерпрайз», вот только транслировали здесь не фотонные торпеды, а последовательности ДНК. Благодаря черновому варианту последовательности у нас появилась некоторая информация о человеческом организме, и мы могли приступить к систематическому поиску мутаций, которые лежат в основе доминантных и рецессивных (менделевских) заболеваний, а также начать понимать генетические причины более распространенных болезней, таких как астма и депрессия.

16

Kevin Davies, Cracking the Genome (New York: Free Press, 2001).

Едва лишь завершился проект «Геном человека», как я услышал, что Вентер призывает к использованию новой технологии секвенирования для быстрого чтения последовательности ДНК, которая могла бы дать информацию о всем геноме человека всего за $1000. Поскольку составление первого черновика генома человека стоило $2 млрд, это было похоже на научную фантастику. Но началось это в один воскресный день в феврале 2005 г., когда Клайв Браун написал своим коллегам из британской биотехнологической компании Solexa письмо с заголовком «МЫ СДЕЛАЛИ ЭТО!!!!». Используя новую технологию, изобретенную двумя профессорами химии из Кембриджского университета [17] , команда Брауна

секвенировала геном самого маленького известного вируса ФХ174. В следующем году другая компания, Illumina, приобрела Solexa и двинулась к достижению мифического порога в $1000, что заняло десять лет [18] . К тому времени мы уже знали о первых случаях, когда секвенирование генома спасло жизни, положив конец диагностическим одиссеям таких пациентов с загадочными генетическими заболеваниями, как Николас Волкер. Резкое снижение стоимости чтения последовательности ДНК сопровождалось значительным увеличением его скорости. Например, Стивен Кингсмор из детской больницы Рэди в Сан-Диего недавно установил мировой рекорд и был занесен в Книгу рекордов Гиннесса, секвенировав и обработав полный геном новорожденного всего за двадцать часов [19] .

17

Оба профессора, Шанкар Баласубраманиан и Дэвид Кленерман, были посвящены в рыцари.

18

Kevin Davies, The $1,000 Genome (New York: Free Press, 2010).

19

Fastest genetic diagnosis, Guinness World Records, February 3, 2018, https://www.guinnessworldrecords.com/world-records/413563-fastest-genome-sequencing/.

Каждая из этих историй рассказывает об огромном скачке в генетике, которому способствовали успехи в области чтения последовательности ДНК. С новыми технологиями секвенирования, предлагающими новые невероятные возможности для скоростного считывания ДНК [20] [21] , мы находимся на пути к получению данных о геноме за $100. Особого внимания заслуживает нанопоровое секвенирование, осуществляемое с помощью портативного устройства не больше смартфона, которое использовалось на Международной космической станции.

20

При нанопоровом секвенировании двойная спираль ДНК «расстегивается», что позволяет пропустить одну из ее цепей через нанопору – бактериальный белок в форме пончика. Измеряя электрический ток при прохождении ДНК через пору подобно поезду метро, устройство Oxford Nanopore может преобразовывать эту электрическую кривую в соответствующую последовательность ДНК.

21

Julianna LeMieux, "MGI Delivers the $100 Genome at AGBT Conference," Genetic Engineering and Biotechnology News, February 26, 2020, https://www.genengnews.com/news/mgi-delivers-the-100-genome-at-agbt-conference/.

Наряду с успехами в чтении ДНК мы также наблюдаем существенный прогресс в написании ДНК. Чёрч и другие исследователи закодировали книги и фильмы в последовательность ДНК в цифровом формате [22] и создали дрожжевую клетку, объединив естественный набор из шестнадцати хромосом в единую мозаичную хромосому [23] . Cинтетическую биологию ждет впечатляющее будущее: проектирование цепей ДНК и настройка организмов для множества применений – от биоинженерного парфюма и нефтехимии до нового поколения антибиотиков и противомалярийных препаратов. Ученые даже расширили генетический алфавит, изначально состоящий из четырех букв, создав новые химические строительные блоки, которые могут заменить те, что уже входят в состав двойной спирали. Это закладывает основу для разработки синтетических белков, содержащих новые структурные элементы [24] .

22

Gina Kolata, "Who Needs Hard Drives? Scientists Store Film Clip in DNA," The New York Times, July 12, 2017, https://www.nytimes.com/2017/07/12/science/film-clip-stored-in-dna.html.

23

Y. Shao et al., "Creating a functional single-chromosome yeast," Nature 560, (2018): 331–335.

24

Matthew Warren, "Four new DNA letters double life's alphabet," Nature, February 21, 2019, https://www.nature.com/articles/d41586–019–00650–8.

Успехи в «чтении» и «написании» очень важны. Но если бы я мог только читать или писать эту книгу, не имея возможности редактировать, искать и заменять, то она бы никогда не была опубликована. Это справедливо и для генной инженерии, или редактирования генома: оно позволяет ученым и даже людям, не имеющим отношения к науке, переписывать генетический код так же легко, как я меняю слово «мед» на «лед» или «гном» на «геном» на компьютере.

В 2014 г. лауреат Нобелевской премии Джим Уотсон пригласил меня помочь ему в переиздании научно-популярной книги с простым названием «ДНК», которую десятью годами ранее он написал вместе с Эндрю Берри [25] . Когда я размышлял о главных достижениях в области генетики, я понимал, что нам не избежать упоминания о CRISPR. В ноябре 2014 г. я смотрел прямую трансляцию ежегодной церемонии вручения премии за прорыв в науке (Breakthrough Prize), которую вели из ангара NASA в Калифорнии: в тот день Кэмерон Диас вручала Дудне и Шарпантье самую дорогую научную премию в мире, по $3 млн каждой [26] . Не прошло и 2,5 года после их знаменательного открытия, как научное сообщество и титаны Кремниевой долины причислили этих женщин к членам научной элиты.

25

James D. Watson, Andrew Berry, and Kevin Davies, DNA: The Story of the Genetic Revolution (New York: Knopf, 2017).

26

Ежегодная премия за прорыв в науке в размере $3 млн для каждого лауреата примерно в десять раз превышает третью долю Нобелевской премии, общая сумма которой составляет $900 000.