Сегодня главные надежды на избавление человечества от наследственных заболеваний связывают с методом редактирования генов, открытым в конце первого десятилетия XXI века. Научное название этой методики — CRISPR-cas9 — выучили назубок научно-популярные журналисты всего мира. Но, возможно, теперь им придется переучиваться. Исследование молекулярных биологов из Техасского университета дает серьезные основания считать, что правильнее говорить CRISPR-cas12а. Если говорить точнее, исследователи показали, что замена ключевого компонента системы — белка cas9 — на другой белок способна решить многие проблемы метода, над решением которых генные инженеры бились в последние годы. И главная из этих проблем — избирательность и точность.
Проблема точности
Геном человека не терпит опечаток. Если, исправляя вредную мутацию, генетики случайно повредят другие точки хромосомы, вреда от этого будет куда больше, чем пользы: маленькая неточность может привести к развитию раковой опухоли. Между тем при нынешнем уровне точности риск такого развития событий недопустимо высок. Несколько лет назад весь мир потрясла новость о том, что китайские генетики впервые отредактировали геном человеческой зародышевой линии. Мнения научной общественности разделились: одни приветствовали небывалый научный прорыв, другие предостерегали от потенциальных этических коллизий. Однако главный вывод, ради которого Хуан Цзюньцзю и его коллеги писали свою работу, лежал в стороне от этих разногласий: их опыты показали, насколько неточно и малоэффективно работает классический метод CRISPR-cas9.
Вместо того, чтобы исправить мутацию бета-глобинового гена (ту, что ведет к тяжелейшему наследственному заболеванию бета-талассемии), фермент во многих клетках просто испортил бета-глобиновый ген, переписав его по образцу другого, похожего — дельта-глобинового. В части клеток система не сработала вообще, и практически везде она внесла в геном множество нежелательных мутаций. Так что если работа дерзновенных китайских генетиков что-то и продемонстрировала, так это то, насколько далеко исследователи еще находятся от точного и безопасного применения этой технологии.
Белок cas9 делает свою работу порой слишком рьяно, а порой небрежно. Это и приводит к многочисленным ошибкам.
Устройство системы CRISPR-cas9 зашифровано в ее названии. Первая часть означает «сгруппированные регулярно чередующиеся короткие палиндромные повторы». Этот странный объект был обнаружен в геноме бактерий в конце ХХ века. Он оказался ничем иным, как каталогом всевозможных вирусов, с которыми предкам бактерии пришлось повстречаться в их жизни. Когда в бактерию попадает вирусная хромосома, у бактерии есть шанс быстро записать себе для памяти характерную последовательность из букв-оснований, идентифицирующих вирус. Таким образом при следующей встрече она легко сможет его узнать.
Но узнать недостаточно, надо уничтожить. Тут в дело вступает вторая часть системы — белки cas. Именно они носят с собой образцы вирусных последовательностей, которые используют как трафарет: если им попадается нуклеиновая кислота с совпадающей подписью, они немедленно вносят в нее разрез и уничтожают. Это свойство и было использовано в системе CRISPR-cas9. Найдя в человеческом геноме мутацию по заданному трафарету, белок cas9 разрезает хромосому в этом месте. Если одновременно ввести в клетку «правильные» копии гена, она сама заделает разрыв по новому образцу, и ошибка будет исправлена. К сожалению, на практике белок cas9 делает свою работу порой слишком рьяно, а порой небрежно. Это и приводит к многочисленным ошибкам.
Решение проблемы
Рик Расселл, Илья Финкельштейн и их коллеги задались целью заменить слабое звено системы — белок cas9 — на что-то более подходящее. Подходящим кандидатом оказался другой компонент той же бактериальной системы — белок cas12a. Он делает ту же самую работу, но подходит к ней по-своему.
Если «липучка» плохо застегнулась, ее всегда можно расстегнуть и повторить операцию — с клеем такой фокус не получится.
Рик Рассел предлагает следующее сравнение: cas9 со своим рибонуклеиновым трафаретом прилипает к ДНК-мишени, как клей. Ему достаточно совпадения всего нескольких букв-оснований, чтобы идентифицировать мишень и приступить к ее разрушению (внесению разреза). Именно поэтому он столь чувствительно реагирует на случайные частичные совпадения, которые могут встретиться в тех местах генома, менять которые не входило в планы исследователей.
Не таков белок cas12: его соединение с ДНК скорее напоминает застежку-липучку. Каждая из крохотных ворсинок-крючков (в данном случае «букв» ДНК) может обеспечить очень слабое соединение, и только все они вместе создают надежный контакт. Более того, если «липучка» плохо застегнулась, ее всегда можно расстегнуть и повторить операцию — с клеем такой фокус не получится. Поэтому cas12a гораздо лучше отличает последовательность мишень (где совпадение букв полное) от случайных мест генома (где скорее всего какие-то буквы не «склеятся»). Он может несколько раз «расстегнуть» и «застегнуть» ДНК, прежде чем убедиться, что нашел правильное место для своей атаки. Это белок не приступает к разрезанию хромосомы, не проверив совпадения восемнадцати букв. Его коллега cas9 ограничивается лишь семью-восемью.
В настоящее время группа Рика Рассела продолжает работу над тем, чтобы искусственно модифицировать cas12a, сделав его еще точнее. Вполне возможно, что именно на этом пути генетиков ждет успех в деле превращения технологии CRISPR в надежно работающий инструмент клинической медицинской генетики.