Редактируя человечество: Революция CRISPR и новая эра изменения генома - читать онлайн

Глава 1 Ажиотаж вокруг CRISPR

«Это и есть CRISPR?» – озадаченно спрашивает ведущий телевизионного шоу «60 минут» Билл Уитакер, указывая на небольшую пластиковую пробирку, содержащую несколько капель бесцветной жидкости, которая с тем же успехом может быть просто водой. Но это и впрямь преимущественно вода.

Под ярким светом телевизионных софитов пробирку держит Фэн Чжан, тридцатилетний ученый, который помог разжечь пламя биологической революции.

«CRISPR – это то, что входит в состав раствора», – подсказывает Чжан[31].

Интервью снимают в лаборатории Чжана в Институте Броуда в Кембридже, штат Массачусетс, – одном из самых престижных центров биомедицинских исследований в стране. Свое название Институт получил в честь филантропа Эли Броуда и его жены Эдит. Здание стоит вплотную к другим башням из слоновой кости, построенным бизнесменами-миллиардерами, такими как братья Кох (изучение рака), издатель Пэт Макговерн (исследования мозга) и разработчик медицинского оборудования Джэк Уайтхед (клеточная биология). Когда я только переехал в Соединенные Штаты в конце 1980-х гг. и работал в Институте Уайтхеда, расположенном на окраине кампуса Массачусетского технологического института, единственным островком цивилизации, кроме него, был сетевой рыбный ресторан. Сегодня Кендалл-сквер – это центр биотехнологической вселенной и такая же достопримечательность Бостона, как и Фенуэй-парк. На расположенной поблизости памятной доске написано, что здесь находится «самая инновационная квадратная миля планеты». Мало кто с этим спорит.

Чжан – с коротко стриженными черными волосами и лишенным растительности лицом херувима – выглядит моложе своих тридцати четырех лет. На групповой фотографии с двумя десятками студентов и научных сотрудников лаборатории его легко принять за аспиранта. Однако с 2013 г. Чжан уже привык к запросам СМИ и вторжениям съемочных групп. Это выглядит как дежавю: несколько месяцев назад он отвечал на эти же вопросы перед телекамерами того же самого канала, CBS. Но интервьюер, беседовавший с ним в прошлый раз, Чарли Роуз, был уволен по веским причинам[32], поэтому продюсер программы «60 минут» Николь Маркс решила переснять весь сюжет.

Уитакер недоверчиво смотрит на крошечную пробирку. «Так вот что стоит за переворотом в науке и биомедицине? С ума сойти!»

Даже если бы камеры программы «60 минут» могли углубиться в содержимое крошечной пробирки, находящейся между указательным и большим пальцами Чжана, подобно тому как это происходит в фильме «Фантастическое путешествие», было бы сложно понять, из-за чего поднялась вся шумиха. Тем не менее CRISPR – это нечто очень важное, настоящая буря в пробирке. У термина CRISPR есть точное научное определение (подробнее об этом позже), но всего за несколько лет эта малопонятная аббревиатура вошла в наш повседневный обиход как существительное или иногда как глагол, олицетворяя собой революцию в редактировании генома, а именно способность точно находить и изменять ту или иную последовательность ДНК любого организма.

Однако Уитакер не сдается.

– Итак, CRISPR – это не жидкость, CRISPR там внутри?

– Он растворен в жидкости, – терпеливо объясняет Чжан. – Здесь около нескольких миллиардов молекул CRISPR.

– Миллиардов?

Маркс обдумывала сюжет о CRISPR в течение нескольких лет, ездила в Институт Броуда, чтобы познакомиться с Чжаном и директором-основателем института Эриком Ландером, а также посетила главную конференцию по этике редактирования генома, прошедшую в 2015 г. в Вашингтоне, округ Колумбия. В СМИ наперебой говорили о CRISPR как о новейшем чуде биотехнологии. Но при всем своем медицинском потенциале CRISPR еще не взят врачами на вооружение и тем более никого еще не вылечил.

Для Маркс переломный момент наступил летом 2017 г., когда ученые из Орегона во главе с Шухратом Миталиповым стали первыми американцами, кто успешно отредактировал геном эмбриона человека с применением CRISPR. Миталипов настаивал на том, что в его планы не входит использование этого метода для создания новых людей. Однако было трудно игнорировать тот факт, что мы значительно приблизились к тревожной перспективе проектирования младенцев по заказу, что явилось бы биологическим эквивалентом Часов Судного дня – символа приближения человечества к самоуничтожению.

Сейчас кажется, что научные возможности CRISPR не знают границ. Используя компоненты иммунной системы древнейших бактерий, ученые разработали удивительный молекулярный инструмент, который может просканировать 3 млрд букв человеческого генома, найти там конкретную последовательность букв генетического текста, вырезать ее, а затем восстановить или заменить. Целью проекта «Геном человека» (Human Genome Project, HGP) была расшифровка генетического кода человека. Мы нашли более 20 000 генов, которые определяют работу разных частей человеческого организма. Мы описали мутации более чем в трети тех генов, которые вызывают бесчисленные генетические заболевания. За 13 лет мы потратили около $2 млрд, чтобы прочесть эту беспорядочную последовательность букв А (A), Ц (C), Т (T) и Г (G)[33]. Все эти усилия по-прежнему приносят плоды, способствуя развитию точных методов лечения рака и многих других заболеваний.

Однако сейчас, имея в руках CRISPR, ученые обладают мощным, простым и доступным инструментом, который позволяет исследователям хирургическим путем переписать генетический код в случае сбоя. Иными словами, выступить в роли Бога. Они могут разрабатывать и создавать последовательности ДНК больших и малых организмов, от вирусов и бактерий до растений (зерновые культуры, цветы, деревья), червей, рыб, грызунов, собак, обезьян и человека. До появления CRISPR существовали и другие технологии редактирования генома, и они применялись в клинике для лечения ВИЧ и редких генетических заболеваний. Да и сама методика CRISPR уже усовершенствована: появились более точные варианты ее выполнения, а именно редактирование нуклеотидных оснований и праймированное редактирование, что приближает нас к тому, чтобы найти тот самый святой Грааль – безопасное и точное управление последовательностью ДНК.

За последние несколько столетий в медицине произошел серьезный прорыв: повышение уровня санитарии и чистоты воды, использование анестезии, открытие вакцин и антибиотиков, разработка низкомолекулярных препаратов, биопрепаратов, создание метода экстракорпорального оплодотворения (ЭКО) и развитие пренатальной диагностики. Новые методы и технологии поднимают на новый уровень фундаментальные науки. Появляются инструменты для управления работой нейронов, методы картирования архитектуры клеточного ядра и проведения жидкой биопсии фрагментов ДНК, циркулирующих в кровотоке. Но CRISPR кардинально изменил науку: распространяясь как лесной пожар, со всей простотой, гибкостью и доступностью эта технология захватила воображение ученых всего мира благодаря своей потрясающей демократичности. Открытие CRISPR не было результатом целенаправленных усилий по созданию метода. Напротив, это кульминация десятилетних вложений в фундаментальные биомедицинские исследования, поддержку десятков преданных своему делу ученых, работающих в непопулярных областях науки, проводящих исследования ради острых ощущений открытий, совершаемых ради лучшего понимания окружающего нас мира и природы. Как отметил лауреат Нобелевской премии Билл Келин в статье в The Washington Post, выступая в поддержку фундаментальных исследований рака, а не показных амбициозных проектов, «технология редактирования генов при помощи CRISPR, которая произведет революцию в медицине и сельском хозяйстве, берет свое начало из исследований бактерий и их устойчивости к вирусам»[34]. Трудно представить себе менее популярную область исследований. По крайней мере, так было до открытия CRISPR.

Что можно делать с помощью CRISPR? Лечить рак и тысячи генетических заболеваний. Это простые, дешевые, мобильные инструменты для обнаружения вспышек смертельных инфекционных заболеваний, включая вирус COVID-19. Создавать более полезные и питательные сорта сельскохозяйственных культур, чтобы накормить человечество. Создавать новые, устойчивые к болезням породы скота и выводить животных для трансплантации органов. Ввести понятие «обратимое вымирание» как способ воскресить вымершие виды, такие как шерстистый мамонт, и наряду с этим предоставить экологам новый инструмент для спасения исчезающих видов. Влиять на процесс эволюции для контроля над инфекционными заболеваниями и даже их устранения. А также, к счастью или к сожалению, изменять генофонд человека за счет редактирования ДНК эмбриона человека, как это показывают в научно-фантастических фильмах.

CRISPR действительно очень быстро увлек сценаристов и писателей. В финале десятого сезона сериала «Секретные материалы», вернувшегося на экраны в 2016 г., Малдер и Скалли ищут противоядие от биологического оружия, созданного на основе CRISPR, которое выбивает важный ген в иммунной системе, подвергая опасности человечество. Сообщается, что Дженнифер Лопес работала над пилотным выпуском телевизионного шоу с рабочим названием C.R.I.S.P.R.[35] Сериал, действие которого происходит в ближайшем будущем, будет представлять собой полицейский триллер, в котором «наставники и протеже, играя в кошки-мышки, борются за контроль над геномом человека и от исхода этой игры зависит будущее нашего вида». К сожалению, Джей Ло еще только предстоит воплотить в жизнь свое видение нашего завтрашнего дня, находящегося во власти CRISPR. Сценарист Нил Баэр включил пандемию биологического оружия CRISPR в сюжетную линию третьего сезона телесериала «Последний кандидат», главную роль в котором играет Кифер Сазерленд[36].

Вернемся к реальности. Ландер называет CRISPR «самым удивительным и, возможно, наиболее важным открытием этого века». Надо признать, он несколько предвзят: Чжан – один из ведущих исследователей Института Броуда, он первым показал возможность редактирования генов в клетках человека с использованием CRISPR и за пять лет стал соучредителем пяти компаний. На кону престиж, патенты и награды. Кроме того, возможно, и научное бессмертие – шанс быть увековеченным как автор одного из великих открытий в науке и медицине и попасть в пантеон науки наряду с Пастером, Эйнштейном, Флемингом, Криком, Франклином и Хокингом.

Тем не менее международное признание и первые награды за открытие CRISPR в значительной степени принадлежат двум ученым-женщинам, которые вместе опубликовали в 2012 г. статью, названную в научной среде «бессмертной». Подобно недолговечной супергруппе, Эмманюэль Шарпантье и Дженнифер Дудна объединились для того, чтобы запрограммировать бактериальный фермент на нахождение и вырезание любой последовательности ДНК в соответствии с прихотью исследователей, заложив тем самым основу для кардинально нового метода редактирования генома с безграничными возможностями применения.

По словам непререкаемого авторитета в области изучения ДНК Джима Уотсона, то, что сделали Дудна и Шарпантье, было «величайшим достижением в науке с момента открытия двойной спирали». Однако важно пользоваться им беспристрастно. «Если его применить лишь для решения проблем и осуществления желаний 10 % самых богатых людей планеты, это будет ужасно, – предупредил Уотсон. – В течение последних нескольких десятилетий мы все больше превращаемся в несправедливое общество, и это только усугубит ситуацию»[37].

Составляя досье о сладкой парочке для списка Time 100, Мэри-Клэр Кинг назвала их работу «феноменальным примером элегантной дедукции и эксперимента», который дает ученым «возможность удалять или добавлять генетический материал по своему усмотрению». Кинг назвала CRISPR «настоящим прорывом, последствия которого мы только начинаем осознавать»[38].

В последние годы я наблюдал за тем, как стремительно распространилось по всему миру влияние CRISPR, приковывая к себе внимание не только ученых и представителей СМИ, но также и членов королевских семей, политиков и даже папы римского.

Каждые два года в столице Норвегии проводится вручение премии Кавли, которую присуждает некоммерческий фонд, основанный ныне покойным Фредом Кавли, норвежским изобретателем, сколотившим небольшое состояние в Южной Калифорнии. Совместно с Норвежской академией наук фонд Кавли присуждает три награды в $1 млн за выдающиеся научные достижения в трех областях наук: одна изучает самое большое (астрофизика), вторая – самое маленькое (нанотехнологии), а третья – самое сложное (нейробиология). Эти награды, возможно, несколько скромнее, чем Нобелевская премия или денежная составляющая премии Кремниевой долины за научный прорыв, но считаются одними из самых престижных в науке.

В сентябре 2018 г. фонд Кавли присудил премию за достижения в области нанотехнологий трем пионерам CRISPR – к Шарпантье и Дудне присоединился биохимик из Литвы Виргиниюс Шикшнис. Первые два имени не стали неожиданностью. Включение литовского ученого было запоздалым признанием его собственной новаторской работы, несмотря на то что летом 2012 г. команда Шарпантье – Дудны включила его в свои ряды. Мои попытки заглянуть в протокол обсуждений членами жюри были зарублены на корню сотрудником программы Кавли, который, к моему удивлению, заявил, что мне придется ждать пятьдесят лет, пока не обнародуют эти документы.

Улицы Осло украшены транспарантами, посвященными празднованию вручения премии Кавли. По дороге в кампус Университета Осло я спрашиваю своего водителя Uber, слышал ли он о ней. Он качает головой, но затем вспоминает: «Ой, я читал об одном из них – он мой земляк! Наш человек! Передайте ему, чтобы заказал поездку на такси с Раймондиасом». Невероятным образом в Осло меня вез водитель Uber, который слышал о Виргиниюсе Шикшнисе.

В тот же вечер лауреаты общаются с гостями на приеме, устроенном Норвежской академией наук и литературы. Молодой атташе американского посольства просит меня представить его Дудне, которая с опозданием приехала вместе с мужем, профессором из Беркли, Джеймсом Кейтом, и их сыном-подростком, Эндрю. «Как произносится ее фамилия? Дуд-на?» (Не так.) Дудна любезно улыбается, но похоже, что ей нужно немного поспать. В очереди к шведскому столу меня ловит норвежский профессор философии, который говорит, что на следующий день на официальном вечернем банкете мне предстоит выслушать много речей. При этом он рассказывает скандинавский анекдот: «Датчанин, швед и норвежец оказываются в камере смертников. Каждому дают право на последнее желание. Датчанин говорит: "Я хочу попировать, получить ужин с жареной свининой и всем, что к ней положено". Норвежец говорит: "Я хочу произнести большую речь". А что швед? Он просит расстрелять его до выступления норвежца». (Если бы вы там были, вы бы поняли.)

На следующий день сотни гостей собираются в Норвежском городском театре на официальную церемонию награждения. Болтовня публики резко прекращается, когда на сцену выходит король Харальд V. Нас ждет необыкновенный эклектичный подбор музыкальных развлечений, чем-то напоминающих одновременно вручение «Оскара» и выступления на Евровидении. Шоу открывает Матиас Ругсвеен, пятнадцатилетний «чародей аккордеона», искрометно исполняющий отрывок из «Севильского цирюльника». Перед присуждением награды за достижения в области нейробиологии норвежская исполнительница во все горло поет песню Crazy в стиле Адель. В какой-то момент соведущий Алан Алда не может найти свои слова на телесуфлере, но без труда справляется с ситуацией: «Погодите, мое выступление где-то здесь!» Наконец, подошло время королю Харальду вручать приз за достижения в области нанотехнологий Шарпантье, Дудне и Шикшнису. Лишь в конце церемонии, когда Дудна позвала семью и друзей к себе на сцену, лауреаты заметно расслабляются и начинают обнимать друг друга.

Вечером того же дня они проходят по длинной мраморной лестнице великолепной ратуши Осло под мелодичный перезвон 49 колоколов. Король Харальд присоединяется к лауреатам за VIP-столом. Нас угощают сашими из лосося и палтуса, а затем филе оленя. По достоверной информации от президента Норвежского студенческого союза, у этого оленя совершенно другой вкус, чем у северного оленя, на которого он охотился в детстве.

Как и было обещано, далее следуют не менее шести речей. Первой выступает Марсия Макнатт, океанолог и президент Национальной академии наук США. Она одобрительно высказывается в отношении того, что премия Кавли в большей мере досталась женщинам, чем мужчинам. «Каждой маленькой девочке, которая мечтает подняться на вершину научных достижений, я скажу: "Твое будущее ждет тебя"»[39]. Генеральный директор Европейской комиссии по научным исследованиям и инновациям Жан-Эрик Паке хвалит победителей за любознательность, упорство и готовность идти на риск. «Фортуна выбирает смелых», – говорит он, цитируя другого известного любителя рисковать, полярного исследователя Эрнеста Шеклтона. Перед своей первой экспедицией в Антарктиду Шеклтон опубликовал в газете объявление: «Требуются люди для участия в опасном путешествии. Низкая заработная плата. Мороз. Длительное время в полной темноте. Благополучное возвращение под вопросом».

Как и для Шеклтона, мгновенный успех – это редкость для лауреатов Кавли. «Сегодня мы видим лишь результат, исключительное достижение, – отмечает Паке. – То, что скрыто от нас сегодня, – это годы тяжелого труда, препятствия, неудачи и те моменты, когда каждый должен был взять себя в руки и продолжить. В итоге эти мужчины и женщины достигли столь многого не потому, что избегали рисков, но потому, что позволяли своему любопытству направлять их, несмотря ни на что, как это делал Шеклтон»[40].

Вечеринка продолжается до самого рассвета – с коньяком и живым джазом, но семье Дудны, уже успевшей на церемонии награждения насладиться общением с императором Японии и королем Испании, утром рано вставать. Сын Дудны должен вернуться в Калифорнию для учебы. Для лауреатов Кавли запланированы другие мероприятия: они направляются на север, в Тронхейм, чтобы выступить с докладами в ведущем университете страны. По мере того как место действия перемещается на несколько сотен километров ближе к Стокгольму, растут слухи, что за CRISPR скоро дадут Нобелевскую премию. Даже если это вопрос лишь времени, в тот год этого не произошло.

Спустя две недели после визита в Норвегию Дудна вернулась домой на большой гавайский остров. Когда она вышла на сцену в традиционном гавайском ожерелье, или леи, с красными цветами охиа лехуа, растущими на этом острове, ее ждал радушный прием. За этой скромной встречей последовал праздничный ужин в Ken's House of Pancakes[41]. Это было очередное мероприятие для женщины-ученого, которая, пожалуй, больше, чем кто-либо, олицетворяет собой CRISPR – ведь ее имя буквально содержит ДНК (англ. DoudNA).

Летом 2017 г. сенатор США Ламар Александер наслаждался отпуском на рыбалке в Канаде без связи и интернета, он только слушал прогноз погоды по радио. Но однажды случайно он услышал репортаж о CRISPR. «Нам нужно провести слушания на эту тему», – подумал он про себя. К счастью, как председатель Комитета сената по здравоохранению, образованию, труду и пенсиям, он обладал такими полномочиями[42].

Морозным ноябрьским днем я бегал между зданиями сената США, чтобы получить свою аккредитацию. Наконец, добравшись до зала заседаний, я успел услышать, как сенатор Александер провозглашает CRISPR «одним из удивительных открытий, сделанных в рамках фундаментальных исследований, профинансированных частично федеральной властью»[43]. Однако его беспокоили заголовки о «детях на заказ», а также доклад Джеймса Клэппера, бывшего главы национальной безопасности США, о том, что редактирование генома было классифицировано как потенциальное оружие массового уничтожения.

Перед комитетом сената выступили три эксперта по CRISPR – генеральный директор компании, врач и специалист по биоэтике. «В нашей жизни нечасто происходит так, что наука нас удивляет, и это один из таких моментов», – сказала Кэтрин Босли, в то время генеральный директор Editas Medicine, первой публичной компании биотехнологий CRISPR. По свидетельству Босли, существует около 6000 известных генетических заболеваний. «Что, если бы мы могли восстановить эти поврежденные гены? – спросила она. – Мы несем ответственность перед пациентами и их семьями». Но Босли предупредила, что впереди у нас долгий путь. «Исцеление» – громкое слово, и, говоря от лица биотехнологической индустрии, Босли не хотела давать напрасных обещаний.

Большинство сенаторов остались лишь для того, чтобы задать вопросы, прежде чем уйти по своим неотложным делам. Сьюзан Коллинз, сенатор от штата Мэн, накинулась на сенат с опасениями: «У нас появится возможность редактировать гены, чтобы влиять на интеллект или физические возможности. Мы живем в глобальном мире. Похоже, научные достижения опередили политику в этой области. Как мы можем гарантировать, что в таких странах, как Китай или Россия, а также в нашей собственной стране ошеломляющий прорыв в редактировании генов будет использоваться учеными во благо людей?»

Я закатил глаза и подмигнул научной писательнице Эмили Маллин. Мы едва перешли к вопросам, как уже прозвучал ожидаемый стереотип о «ребенке на заказ». Однако Джеффри Кан, специалист по биоэтике из Университета Джонса Хопкинса, согласился, что научные достижения обычно опережают политику. «Мы обладаем надежными методами контроля над тем, чтобы эти технологии использовались в заранее заданных целях. Между странами ведется диалог, – добавил он, успокаивая слушателей. – Гораздо более разумный подход – это не применять контроль сейчас и позволить науке осторожно и ответственно идти вперед в рамках установленных границ».

Афроамериканский сенатор Тим Скотт из Южной Каролины попросил рассказать о перспективах лечения серповидноклеточной анемии. Третий специалист, врач-ученый Стэнфордского университета Мэттью Портеус, заявил, что он готовится привлечь несколько «очень смелых» добровольцев для участия в прорывном клиническом исследовании. Его команда возьмет стволовые клетки пациента, воспользуется CRISPR, чтобы отредактировать ген, который несет в себе мутацию серповидных клеток, и изменит всего одну из трех миллиардов букв человеческого генома. Затем они введут пациенту около миллиарда измененных стволовых клеток через капельницу. Эти здоровые клетки вернутся обратно в костный мозг и восстановят кровь пациента. Если повезет, пациент излечится от этой болезни. «Это круто», – сказал Скотт. После чего ушел.

Сенатор штата Вирджиния Тим Кейн спросил, возможно ли применение CRISPR для лечения болезни Альцгеймера, но в этом вопросе Босли не была оптимистична. Она ответила, что новые методы лечения еще предстоит разработать, поскольку генетика этого заболевания сложнее, чем, скажем, серповидноклеточной анемии. Кейн также спросил о надзоре со стороны регулирующих органов. Кан указал на пример Великобритании, где установлены строгие рамки контроля, позволяющие стране лицензировать новые биотехнологии. «Люди не хотят садиться в тюрьму на десять лет за нарушения, – сказал Кан. – Мы проигрываем во многих аспектах, когда загоняем науку в подполье». Кроме того, США не хотели уступать свое лидерство и конкурентоспособность в области редактирования генов кому-то другому.

Никто не мог предположить, что год спустя гипотетические предостережения Кана станут реальностью.

Спустя полгода, в апреле 2018 г., CRISPR оказался на гастролях в самом неожиданном месте – Ватикане. Конференция «Объединимся, чтобы вылечить» (Unite to Cure) – это детище Робина Смита, президента фонда Cura. Она проводится в сотрудничестве с Папским советом по культуре. Список гостей Смита был довольно экстравагантным: среди них были телеведущие доктор Мехмет Оз и Санджай Гупта с канала CNN, кроме того, были запланированы эпизодические выступления знаменитостей, в частности Кэти Перри (о силе медитации) и Джека Никлауса (о стволовых клетках). Временами эта встреча вызывала те же неприятные чувства, что и вечерние рекламные ролики. Миллиардер Эд Босардж купил клинику на Багамах, и ему делали экспериментальные инъекции: препараты проникали через гематоэнцефалический барьер и должны были бороться с ухудшением памяти и старением. «Моя цель – быть здоровым и играть в теннис в 120 лет», – сказал он со всей серьезностью.

Был там и Питер Габриэль, первый рок-вокалист, которого я когда-либо слышал (альбом Selling England by the Pound группы Genesis). Габриэль побаловал нас акустическим концертом, хотя и немного растерял свои навыки, судя по тому, что не вовремя вступил в композиции Solsbury Hill. Он эмоционально объявил, что посвящает выступление своей жене Миб, которая вылечилась от агрессивной формы неходжкинской лимфомы после CAR-T-терапии. Позже он сказал: «Богатые люди будут жить вечно, а бедные будут умирать миллиардами. Модель просачивания благ сверху вниз не изменит этого».

Из-за такого количества приехавших на конференцию знаменитостей дискуссия рабочей группы с руководителями трех государственных компаний по биотехнологии CRISPR казалась чем-то второстепенным. Все три компании были созданы учеными, непосредственно участвовавшими в драме вокруг CRISPR: Чжан и Дудна стали соучредителями Editas Medicine, но Дудна покинула компанию из-за патентного спора и позже присоединилась к основателям Intellia Therapeutics. Тем временем Шарпантье основала собственную компанию CRISPR Therapeutics. Кэтрин Босли заявила, что открытие CRISPR – «величайшее событие в биологии целого поколения», выходящее за рамки фантастики в лечении генетических заболеваний. Генеральный директор CRISPR Therapeutics Сэм Кулкарни сказал, что этот метод захватил воображение миллионов людей из-за простоты использования. «Он совершенно демократизировал технологию [редактирования генов]». Руководитель компании Intellia Джон Леонард объявил, что клинические исследования CRISPR неизбежны, и предположил, что CRISPR «в короткие сроки станет стандартом лечения серповидноклеточной анемии».

Босли признала, что у CRISPR есть и темная сторона. Технологии не бывают хорошими или плохими, все зависит от того, как мы их применяем. Об этом же говорил и папа Франциск, лично обращаясь к нескольким сотням участников конференции в потрясающем зале аудиенций, интерьер которого напоминает голову змеи. Понтифик напомнил о необходимости защиты окружающей среды и осторожности в применении метода редактирования генов. Он отметил «большие успехи ученых в создании новых лекарств», особенно тех, что используются при лечении редких аутоиммунных и нейродегенеративных заболеваний. Однако наука, по его словам, открыла новые методы

Это было заявление, грамотно составленное при участии Босли и руководителей других CRISPR-компаний. О нем быстро забыли, когда Кэти Перри и другие VIP-персоны выстроились в очередь, чтобы приложиться к папскому перстню. Никто, даже сам папа римский, не знал о том, что на другом конце света китаянка находилась на первых неделях беременности. Она вынашивала близнецов, чья ДНК была создана не Богом, но обычными руками амбициозного специалиста по генной инженерии при содействии знакомого эмбриолога.

Это было в высшей степени порочное зачатие.

Опасения, что какой-то ненадежный ученый осмелится переписать священный текст генома, существовали десятки лет, хотя отражалось это в большей мере в фантастических сценариях. Однако исследование 2015 г., проведенное группой китайских ученых, впервые показало, что люди науки были готовы исправлять ген болезни у эмбриона человека уже через несколько часов после экстракорпорального оплодотворения. С точки зрения этики это был гигантский скачок за мифическую красную линию, когда люди начинают играть в Бога в вопросах своей генетической судьбы. В течение следующих трех лет многие авторитетные медицинские сообщества опубликовали десятки научных докладов об этических плюсах и минусах редактирования генома[45]. Пока ученые и специалисты по этике дискутировали, генетик из Австралии Дэниел Макартур написал в Twitter: «Мои внуки будут обследованы на стадии эмбриона и отредактированы. Это не повлияет на то, что означает быть человеком. Это подобие вакцинации».

Несколько научных групп, преимущественно из Китая, сообщили о проведении экспериментов на эмбрионах человека без последующей имплантации этих модифицированных эмбрионов. Но молодой китайский ученый, который пять лет проходил стажировку в США, осмелился сделать следующий злосчастный шаг. Хэ Цзянькуй предположил, что его новаторская работа будет по достоинству оценена на родине и за рубежом, результаты будут опубликованы в ведущем мировом журнале, что поставит его в один ряд с его героем – лауреатом Нобелевской премии Робертом Эдвардсом, соавтором изобретения метода ЭКО.

Однако не последовало ни признания, ни одобрения, ни статьи в Nature. Вместо этого были возмущение и яростное, почти всеобщее осуждение. Работа была небрежной, безответственной, опрометчивой, неэтичной и, пожалуй, преступной, поставившей серьезные вопросы о здоровье двух детей. Карьера Хэ Цзянькуя рухнула в одно мгновение: он был помещен под домашний арест, уволен из университета и в конечном итоге приговорен к трем годам тюрьмы. Эта история не напугала генетика из России, и он объявил о своем намерении взять дело в свои руки и использовать редактирование генов методом CRISPR, чтобы помочь парам с наследственной глухотой. «Мы продолжаем приближаться к крайней черте, и, по сути, ее не существует», – заявил научный журналист Регаладо[46].

Директор Национального института здравоохранения Фрэнсис Коллинз выступает категорически против любых попыток вмешательства в ДНК эмбрионов человека. «Эволюция работала над оптимизацией генома человека на протяжении почти четырех миллиардов лет. Неужели мы действительно думаем, что небольшая группа умельцев в области генома человека может добиться лучших результатов без всяких непредвиденных последствий?» – говорит он[47]. Многие ведущие ученые призвали ввести временный мораторий, чтобы дать специалистам и другим заинтересованным сторонам время обдумать основания и обстоятельства, при которых может быть одобрено редактирование зародышевой линии[48]. Однако другие исследователи не видят никакой опасности в перспективе наследуемого редактирования генома. Джордж Чёрч из Гарвардского университета, ветеран геномной инженерии, сохраняет непредвзятое отношение к этому вопросу. «Я не думаю, что голубые глаза и [дополнительные] 15 баллов IQ действительно представляют угрозу здоровью населения, – сказал он в интервью британской газете. – И не считаю это опасным для нашей морали»[49].

Великий физик Стивен Хокинг в своей последней книге предсказал наше приближение к эре того, что он назвал самостоятельной эволюцией. «Мы сможем изменять и улучшать нашу ДНК, – писал Хокинг. – Мы расшифровали ДНК, и это означает, что мы прочитали "книгу жизни" и теперь можем приступать к внесению исправлений»[50]. Тем не менее для Хокинга опасный путь не ограничивался лечением разрушительных заболеваний, таких как его собственная болезнь – медленно прогрессирующая форма бокового амиотрофического склероза. Хокинг верил в то, что ученые будут использовать технологии, подобные CRISPR, для изменения и улучшения таких качеств, как интеллект, память и долголетие, – даже нарушая закон, если это понадобится. Такой способ создания «сверхлюдей» будет доступен лишь для богатой элиты, что приведет к конфликту с обычными людьми. Хокинг продолжает:

Сразу возникло опасение, что гнусные действия одного ученого могут помешать существенному прогрессу в использовании CRISPR и других методов редактирования в генной терапии у детей и взрослых. Когда я разговаривал с друзьями и учеными в аудитории, я слышал, как один из выдающихся специалистов редактирования генома высказывал многочисленные опасения по поводу CRISPR-младенцев, считая их «угрозой» будущего терапевтического редактирования генома.

К счастью, эти страхи пока не подтвердились. Несмотря на то что эта область науки только начинает развиваться, она подает надежды клинического применения для пациентов с онкологией, заболеваниями крови, наследственными формами слепоты и многими другими болезнями. По словам Федора Урнова, мы снимаем страховочные колесики с велосипеда. «Мир увидит, что CRISPR способен действительно принести пользу»[51].

Глава 2 На голову выше

26 июня 2000 г. президент Билл Клинтон вошел в Восточную комнату Белого дома в сопровождении двух известных ученых, Фрэнсиса Коллинза и Крейга Вентера. Клинтон объявил о важной вехе проекта «Геном человека» – получении чернового наброска последовательности генома человека, «книги жизни». Спутниковая трансляция с Даунинг-стрит, 10 показывала сияющее лицо премьер-министра Великобритании Тони Блэра, размахивавшего флагом в честь британских членов научной группы, внесших свою лепту в расшифровку около трети генома.

В течение двух лет две команды ученых, напоминавшие по численности небольшие армии, работали, соревнуясь друг с другом, для достижения этой грандиозной цели. В одном углу ринга был Коллинз, фельдмаршал финансируемого государством международного альянса по расшифровке ДНК человека. Приз представлял собой карту сокровищ человеческого генома с последовательностью из 3 млрд букв ДНК-алфавита (четырехбуквенный код химических соединений, сокращенно А (A), Ц (С), Т (T), Г (G)), объединенных в двадцать три пары хромосом.

В противоположном углу ринга находился Вентер, ученый и предприниматель, который нагло начал враждебный захват проекта «Геном человека». Он поделился своими планами с Коллинзом в зале ожидания United Airlines в вашингтонском аэропорту имени Даллеса, а затем со всем миром на обложке The New York Times. Его новая компания Celera Genomics пообещала пробиться через многолетнюю правительственную неэффективность и бюрократию, чтобы сформировать последовательность быстрее и дешевле, используя целый ряд новейших секвенаторов, названных в честь научно-фантастических персонажей, а также мощный суперкомпьютер Compaq для обработки данных. В качестве утешительного приза Вентер предложил Коллинзу провести секвенирование генома мыши. Почти в мгновение ока ситуация изменилась: «Дарт Вейдер» из компании Вентера получил арсенал и преимущество, в то время как Коллинз и его союзники превратились в отважных повстанцев, загнанных в угол.

Когда публичные споры между группами переросли в явную вражду, возникла угроза запятнать репутацию руководителей проекта, не говоря уже о цели миссии. Белый дом поспособствовал временному перемирию, чтобы провести историческое празднование[52]. Клинтон назвал достижение генетиков «самой важной и самой удивительной картой, когда-либо созданной человечеством… Это язык, на котором Бог создал жизнь». Фраза «ученые расшифровали генетический код человечества» стала заголовком на первой полосе The New York Times[53].

Однако кто же был обладателем этого взломанного кода? Представители Национального института здравоохранения собрали образцы ДНК у десятков анонимных добровольцев, которые вызвались участвовать в проекте в ответ на объявление, опубликованное в марте 1997 г. в газете The Buffalo News молекулярным генетиком Питером де Йонгом (в проекте возглавлял направление по созданию библиотек ДНК). Спустя годы генетический анализ показал, что участник с кодовым названием RP11, внесший наибольший вклад, скорее всего, был афроамериканцем[54]. Как и любой другой человек, RP11 и другие доноры ДНК были мутантами, геном которых содержал сотни или тысячи вариантов ДНК, предрасположенных к развитию редких и распространенных заболеваний, включая сахарный диабет первого типа и гипертонию[55]. Celera взяла образцы ДНК у пяти добровольцев разного этнического происхождения. Позже Вентер признался, что одним из них был он сам.

Прочесть книгу жизни – даже если еще многих страниц в ней не хватало, они были вырваны или располагались не в том порядке – было грандиозным достижением. Для биологии это означало почти то же самое, что и полет на Луну, то есть крупнейшее событие после того, как Крик и Уотсон открыли двойную спираль в 1953 г. Мы стали первым видом, который перевел свою инструкцию по эксплуатации на язык, понятный человечеству, несмотря на то что мы еще плохо знаем, как этой инструкцией пользоваться. Главы учебников, в которых заявлялось, что организм человека содержит более 100 000 генов, были признаны устаревшими, поскольку нам пришлось скромно признать, что геном состоит лишь из 20 000 генов.

Одним из самых влиятельных защитников проекта «Геном человека» выступил сэр Джон Мэддокс, почетный редактор журнала Nature. В 1999 г. Мэддокс взял на себя смелость опубликовать книгу под названием «Что нам предстоит открыть» (What Remains to Be Discovered). Он писал:

Когда он это писал, группа ученых вдали от телекамер и торжественных президентских мероприятий предпринимала первые шаги к разработке новой технологии: с ее помощью можно будет изменять код, на расшифровку которого за десятилетие мы уже потратили $2 млрд. Это было начало эры редактирования генома.

Редактирование – важный этап создания произведений литературы, музыки или искусства. Судьба многих блокбастеров могла бы стать совсем другой, если бы продюсеры использовали их первоначальные названия. Фильм «Чужой» собирались назвать «Звездный зверь», «Назад в будущее» уже почти выпустили под названием «Космический пришелец с Плутона», а рабочим названием фильма «Красотка» было «3000». Книга Джейн Остин «Первые впечатления» стала романом «Гордость и предубеждение». Маргарет Митчелл изначально назвала свою героиню Скарлетт совсем иначе – Панси. «Редактирование литературного или генетического текста (практически) всегда делает его лучше», – пишет Федор Урнов[57].

Пока я наблюдал за быстрым развитием в области высокопроизводительного секвенирования ДНК в 2000-х гг., ученые корпели над созданием молекулярной системы обработки текстов, чтобы редактировать книгу жизни – искать, вырезать и вставлять слова и буквы, выявлять опечатки, удалять орфографические ошибки и вносить исправления. Через десять лет после провозглашения себя первым видом, расшифровавшим свой генетический текст, мы уже проверяли наши возможности вносить изменения в любой организм по своему желанию. Если довести это до логического завершения, мы сможем изменить направление и ускорить нашу собственную эволюцию и эволюцию почти каждого организма на Земле.

«Такова природа открытия», – говорит генетик Ширли Тилман, бывший президент Принстонского университета. Результаты каждого крупного научного открытия могут быть использованы как во благо, так и во вред. «От общества потребуется мудрость, чтобы направить эти открытия по верному пути»[58]. Быстрое развитие редактирования генома – это серьезная, беспрецедентная и в некотором смысле пугающая ответственность. И мы уже не справились с ней.

Прежде чем идти дальше, давайте рассмотрим, что особенного в этой революционной технологии со смешной аббревиатурой, которая звучит как нечто среднее между названием шоколадного батончика и ящиком холодильника. Пытаясь описать CRISPR, авторы прибегали то к одной метафоре, то к другой: десница Божья, команда по обезвреживанию бомб, ластик, скальпель хирурга, сканер сетчатки глаза и часто «молекулярные ножницы»[59]. STAT составил список из десяти понятий, с которыми можно сравнить CRISPR, который завершался так: «Швейцарский армейский нож молекулярной биологии». Подобно ему, CRISPR – это больше, чем просто острое лезвие для разрезания ДНК. Это постоянно расширяющийся набор молекулярных инструментов для редактирования и управления ДНК с еще большей точностью и универсальностью.

CRISPR – одно из тех достижений, которые случаются раз в 20 лет и практически мгновенно меняют процессы проведения научных исследований. По иронии судьбы технология бактериальной противовирусной иммунной системы распространилась, подобно вирусу. Однако это не было первой технологией редактирования генома. Более ранние методы редактирования генов были разработаны (в начале 2000-х), затем усовершенствованы и даже вошли в клиническую практику еще до появления CRISPR. Урнов с коллегами из компании Sangamo придумали термин «редактирование генома» в 2005 г., когда занимались усовершенствованием технологии ZFNs (нуклеаза типа цинковых пальцев), которая до сих пор используется в клинической практике. В 2011 г., за год до того, как CRISPR ворвался в науку, журнал Nature Methods объявил редактирование генома «методом года». У ZFNs и другой технологии редактирования генов, TALENs, есть свои поклонники, но это слишком хлопотные и дорогостоящие методы, чтобы превзойти CRISPR по скорости внедрения.

CRISPR использует основу других форм редактирования генома и (говоря языком группы Spinal Tap) поднимает их на новую высоту. От Австралии до Заира исследователи во всем мире используют CRISPR для редактирования генов практически любых организмов планеты Земля. Быстрота распространения связана с тем, что CRISPR, по сути – технология, доведенная за сотни лет эволюцией до совершенства. CRISPR не требует дорогого оборудования, такого, например, как современные секвенаторы по цене в $1 млн, – большинство реагентов можно заказать через интернет и использовать в лаборатории без каких-либо специальных мер безопасности, как это и продемонстрировал Чжан в программе «60 минут». Старшеклассники могут изучить основы CRISPR на уроках биологии[60]. Некоммерческая организация по коллекционированию генетических конструкций Addgene в Бостоне служит клиринговым центром реагентов для CRISPR. По словам директора Джоанн Каменс, к началу 2020 г. Addgene распространила более 180 000 генетических конструкций, содержащих CRISPR, в более чем 4000 лабораторий по всей миру[61].

Летом 2012 г. группы Шарпантье и Дудны продемонстрировали, что они могут взять бактериальную систему CRISPR и с некоторыми изящными молекулярными доработками превратить ее в точно настраиваемый генетический «курсор», который можно использовать для отрезания конкретного участка ДНК большей или меньшей длины. Родольф Баррангу, главный редактор The CRISPR Journal, называет это исследование переломным моментом, который показал, что «эту крутую, своеобразную революционную иммунную систему бактерий можно перепрофилировать и превратить в инструмент, который люди будут легко использовать в лаборатории для разрезания ДНК»[62]. Через полгода группа Чжана в сотрудничестве с Лучано Марраффини из Университета Рокфеллера и независимой группой Джорджа Чёрча продемонстрировала, что инструмент CRISPR-Cas9 может успешно редактировать ДНК в клетках млекопитающих. «Это изменило мир», – говорит Баррангу.

Действительно, исследователи всего мира воспользовались этим простым программируемым инструментом редактирования генов и сделали новые открытия, которые попали на страницы ведущих научных и медицинских журналов. Профессор права Стэнфордского университета Хэнк Грили проводит удачную аналогию: «Модель T[63] была дешевой и надежной, и вскоре уже у всех появилась машина, и мир изменился. CRISPR сделал редактирование генов недорогим, простым и доступным… Думаю, это также изменит мир, – говорит он. – И это меня поражает»[64].

Между двумя футбольными клубами Буэнос-Айреса – «Ривер Плейтом» и «Бока Хуниорсом» – идет, как известно, вечное непримиримое соперничество. Однако существует противоборство, которое формировало жизнь на Земле с самого начала, и оно продолжается по сей день. Основная гонка вооружений на планете происходит между двумя непримиримыми врагами, ядерными сверхдержавами микробиологического мира – бактериями и вирусами (или бактериофагами), стремящимися уничтожить друг друга. Эта война длится вечность, по крайней мере не меньше миллиарда лет.

Еще до пандемии COVID-19 мы знали, что вирусы – это невидимая опасность, предвестники болезней и смертей. В своем известном высказывании лауреат Нобелевской премии Джошуа Ледерберг утверждал, что «самая серьезная угроза дальнейшему господству человека на планете – это вирусы». Помимо социального дистанцирования и некоторого естественного иммунитета, у человечества в арсенале мер противодействия имеются также вакцинация и множество специализированных или перепрофилированных методов лечения, а кроме того – препаратов. Угроза никогда не исчезнет, поскольку вирусы способны мутировать, развиваться, захватывать генетический материал своих хозяев и постоянно перерождаться.

Бактерии хорошо нас понимают. Они постоянно сталкиваются с атаками со стороны бактериофагов – вирусов, которые заражают исключительно бактерии. На планете Земля существует непостижимое количество бактериофагов (10 нониллионов (10^-10)!), то есть по одному триллиону на каждую песчинку[65]. «Не спрашивайте меня, как люди получают это число, но я им верю», – говорит Марраффини[66]. Если расположить эти субмикроскопические фаги вплотную друг к другу, эта цепочка растянется на 200 млн световых лет[67]. Под электронным микроскопом многие из них выглядят довольно угрожающе, напоминая нечто среднее между лунным посадочным модулем и пауком, лапы которого растопырены, чтобы зацепиться за поверхность клетки. Другие обладают невинным очарованием круглого леденца на палочке с длинным хвостом. После присоединения вирус вводит в бактериальную клетку свой собственный генетический материал, короткую цепочку ДНК или ее двоюродную химическую сестру, РНК, используя механизмы синтеза белка бактериальной клетки. За 20–30 минут десятки и сотни заново скомпонованных вирусных потомков вырываются из уже погибшей клетки, подобно полчищу Чужих, вырвавшихся из живота Джона Хёрта. «Клетки взрываются, они лопаются, как воздушные шары», – говорит Марраффини.

Окруженные потенциальными фаговыми захватчиками, бактерии развили множество защитных систем, чтобы отслеживать и уничтожать эту угрозу. Когда я изучал биохимию в 1980-х гг., нам рассказывали, что бактерии обладают целой армией нуклеаз – высокоактивных ферментов, которые распознают и атакуют определенные мотивы чужеродной ДНК. (Последовательности ДНК самих бактерий защищены от этих нуклеаз химическими метками, подобно тому как розетки закрыты от детей специальными крышками). Ученые использовали эти ферменты ограничения как средство для разрезания, обмена или «сшивания» (лигирования) фрагментов ДНК, например помещая гены человека в ДНК бактерии, что положило начало развитию отрасли биотехнологии. Но, как мы убедимся далее, теперь мы знаем, что бактерии обладают еще и другой иммунной системой. CRISPR – это небольшой участок бактериального генома, который содержит фрагменты захваченного вирусного генома для дальнейшего использования, причем каждый такой фрагмент (или спейсер) отделен от другого одинаковыми повторяющимися палиндромными последовательностями ДНК. Представьте себе это как картотеку ФБР, в которой хранятся данные о разыскиваемых преступниках.

CRISPR – это больше, чем просто хранилище вирусных злодеяний. Совсем рядом находится арсенал мощной системы противоракетной обороны «земля – воздух». Когда клетка обнаруживает вторгшийся вирус, первым делом активируется система CRISPR, производящая копии РНК заархивированных вирусных последовательностей. Эта цепочка РНК затем разрезается на отдельные фрагменты, каждый из которых соответствует тому или иному вирусу и служит в качестве наброска внешности возможного преступника, сделанного полицейским художником. Сама по себе РНК не может причинить никакого вреда, поэтому она превращается в оружие путем связывания с ферментом, расщепляющим ДНК, называемым Cas (от англ. CRISPR-associated sequence – «последовательность, связанная с CRISPR»), образуя рибонуклеопротеиновый комплекс, оснащенный сигналом GPS и готовый к бою.

В микроскопической вселенной существует полдюжины разновидностей или типов систем CRISPR, которые делятся на два класса в зависимости от их строения и свойств[68]. Одна из простейших структур – тип II – содержит фермент Cas9. Эта нуклеаза, подобно кусачкам для проводов, добивается полноценного разрыва обеих цепей ДНК, но делает это избирательно. Она захватывает крРНК и держит ее как фотоснимок преступника – и ищет совпадения в вирусной ДНК. При обнаружении необходимого участка Cas9 и крРНК «защелкиваются» на ДНК и разрезают ее, нейтрализуя угрозу. «Cas9 поистине творит чудеса, – объясняет Урнов. – Когда она охраняет внутриклеточное пространство от вторжений, она буквально носит с собой копию объявления о разыскиваемом преступнике, спрашивая каждого: "Извините, ведь вы – точная копия разыскиваемого преступника, не правда ли? Тогда я вас порежу"»[69].

Фаги и каскад реакций CRISPR. (А) Замечен в момент совершения преступления: фаги садятся на поверхность клетки E. coli (кишечной палочки), чтобы совершить нападение. (Б) CRISPR-Cas-иммунитет. 1. Бактерия захватывает фрагменты вирусной ДНК и включает эти фрагменты как спейсеры в расширяющийся блок последовательностей CRISPR. 2. Для борьбы с фаговой инфекцией массив CRISPR транскрибируется в РНК, которая называется (пре-крРНК), а затем преобразуется в зрелые крРНК. 3. На стадии противодействия крРНК и Cas белок(и) образуют комплекс, который разрушает распознанные фаговые последовательности. Некоторые системы CRISPR (класс 1) содержат несколько белков Cas (как показано на рисунке), в то время как более простой системе класса 2 требуется одна нуклеаза – Cas9 (по материалам пункта 15 примечаний)

Описанные системы CRISPR. Существует несколько разновидностей систем CRISPR, которые делятся на два класса – класс 1 и класс 2. В классе 1 расщепление ДНК осуществляется комплексом белков, иногда называемых каскадом от слова Cas. В классе 2 системы CRISPR содержат одну нуклеазу Cas, такую как Cas9, Cas12 или Cas13. (Подробнее см. пункт 15 примечаний.)

Марраффини показывает, как две бактериальные системы защиты дополняют друг друга. Рестриктазы создают первый барьер защиты от вирусной угрозы, дробя вирусную ДНК на части, которые могут быть включены в массив CRISPR. Однако, если фаги, когда-либо эволюционировавшие, уклоняются от первой линии защиты, срабатывает иммунизация CRISPR. «Это аналогично вакцинации, – говорит Марраффини. – Когда ДНК фагов мертва, CRISPR может собрать спейсеры для формирования иммунитета у бактерии». Лишь немногие инфицированные вирусом бактерии действительно приобретают спейсеры – примерно 1 на 1 млн, но это дает одной клетке возможность устранить вирусную угрозу и восстановить популяцию[70].

В документальном фильме Адама Болта «Природа человека» (Human Nature, 2019) мы знакомимся с Дэвидом Санчесом, очаровательным мальчиком, страдающим от серповидноклеточной анемии. Узнав о возможностях CRISPR в лечении его болезни, он проницательно спрашивает: «Как эта штука работает и откуда она знает, как воздействовать на нужный ген, а не на тот, что отвечает за рост волос?»

Гениальность революции CRISPR заключалась в том, чтобы привязать Cas9 не к вирусной РНК, как в природе, а к синтетически разработанной РНК, запрограммированной исследователями, которая позволяет им воздействовать практически на любую последовательность ДНК любого гена любого организма. В результате у нас в руках оказался бактериальный фермент, существующий миллиард лет, и мы перепрофилировали его в молекулярный скальпель точной генной хирургии XXI в. Независимо от того, чей геном мы хотим отредактировать: хомяка или человека, комара или мыши, красной смородины или красного дерева, – процесс остается по сути одним и тем же. Это связано с тем, что все организмы в природе используют один и тот же универсальный код ДНК, состоящий из одного и того же четырехбуквенного алфавита.

В своем естественном состоянии Cas9 не интересуется ДНК, в основном случайно сталкиваясь и отскакивая от нее. Но как только Cas9, имеющая форму ладони, захватывает направляющую РНК, точная реконфигурация структуры белка заставляет ее взаимодействовать с ДНК в поисках подходящей мишени. По словам Блейка Виденхефта, профессора Университета штата Монтана, белковые комплексы Cas «патрулируют все внутриклеточное пространство, находят чужеродную [вирусную] ДНК, связываются с ней и приговаривают ее к уничтожению в считаные минуты… это довольно впечатляющий процесс»[71].

Поиск и связывание с целевой последовательностью происходят в два этапа. Прежде всего Cas9 ищет короткий мотив ДНК, называемый последовательностью PAM[72], – маяк, который дает ферменту сигнал для кратковременного связывания с ДНК, и взаимодействует с ним. «Это мимолетное взаимодействие приводит к искривлению ДНК», – объясняет Виденхефт. Изгибая ДНК, Cas9 расцепляет нити двойной спирали, чтобы направляющая РНК могла проскользнуть в образовавшуюся щель (создавая так называемую R-петлю)[73]. Направляющая РНК быстро сверяет последовательность с текстом целевой ДНК. Если будет найдено идеальное совпадение среди всех двадцати оснований (букв текста), то ДНК-последовательность будет уничтожена. Cas9 рассекает[74] обе нити ДНК так же ровно, как кухонный нож, создавая двухцепочечный разрыв (DSB, double-strand break) всего в нескольких основаниях от последовательности PAM[75].

Этот удивительный процесс был потрясающе снят на видео исследователями Токийского университета Хироси Нисимасу и Осаму Нуреки в 2017 г. Используя метод, называемый высокоскоростной атомно-силовой микроскопией, они смогли увеличить изображение в тот самый момент, когда Cas9 захватывала молекулу ДНК. В фильме Cas9 выглядит как позолоченный камень, когда она останавливается на несколько секунд на нити ДНК, прежде чем разрубить ее пополам[76]. После того как Нисимасу выложил это видео в своем аккаунте Twitter, оно стало вирусным и было показано по японскому телевидению.

Однако сориентировать Cas9, чтобы она искала конкретную уникальную последовательность в геноме человека, – это в миллионы раз сложнее, чем разрезать вирусную ДНК. Когда комплекс Cas9 входит в чужеродное пространство клеточного ядра, она сталкивается с лабиринтом ДНК – двадцатью тремя парами хромосом, шестью миллиардами букв ДНК (сравним со стандартным геномом фага, состоящим всего из нескольких тысяч оснований). Попадая в ядро, каждая молекула Cas9 обыскивает плотно упакованные спирали ДНК, чтобы найти последовательности PAM, которые встречаются в среднем один раз за каждый полный оборот двойной спирали на 360 градусов, то есть на 10 нуклеотидов. В целом фермент должен «опросить» 300–400 млн оснований, чтобы определить точную мишень для направляющей РНК, которая сама состоит почти из 20 нуклеотидов.

Йохан Эльф, биофизик из Уппсальского университета в Швеции, подсчитал, что Cas9 обычно требуется около шести часов для обнаружения каждой последовательности PAM в бактериальном геноме с остановками на двадцать миллисекунд на каждом предполагаемом участке, чтобы заглянуть в двойную спираль и проверить, действительно ли он нашел правильную мишень[77]. Но упаковка ДНК в ядре эукариотической клетки намного сложнее, чем у бактерий. Во время лекций, проводимых для студентов в Эдинбургском университете, Эндрю Вуд показывает схему строения бактериальной клетки рядом с извилистым петляющим волокном ДНК млекопитающих. «Cas9 не создана для того, чтобы работать в той среде, в которую мы сейчас ее поместили, – говорит он. – Поразительно, что она способна рассмотреть сотни миллионов нуклеотидов за считаные часы»[78].

После того как Cas9 разрезал ДНК, репаративные ферменты ДНК клетки «зашивают» разрыв. Эксперты удивляются тому, как успешно это работает[79]. Cas9 превосходит даже ранее разработанные технологии редактирования генов ZFN и TALEN[80]. «Они были созданы, чтобы работать с эукариотической ДНК, но тем не менее, по всей видимости, Cas9 превосходит их», – говорит Вуд.

Давайте сделаем паузу и отметим решающую роль, которую играет в этом процессе последовательность PAM: поиск коротких фрагментов PAM вместо распаковки и проверки практически всего генома значительно упрощает задачу для Cas9 по фиксации целевой последовательности. Наличие PAM также объясняет то, что Cas9 не разрезает случайным образом повторы в последовательности CRISPR бактериальной ДНК. Это связано с тем, что, когда последовательности ДНК изначально добавляются к участку CRISPR в геноме бактерий, последовательности PAM отсекаются. Генные инженеры не хотят ограничиваться природным набором последовательностей PAM, поэтому модифицируют исходные ферменты Cas9 и Cas других видов бактерий, чтобы расширить их предпочтения в распознавании короткой последовательности PAM.

Если у бактерий настолько эффективна система безопасности, было бы резонно задаться вопросом: почему вирусы не вымерли? Вирусы незаметно развили множество обходных механизмов – группу белков, которые способны нейтрализовать нуклеазы Cas, известные как белки анти-CRISPR. Вирусы и бактерии подобны хищникам и их жертвам, вовлеченным в бесконечную борьбу, которая продолжается сотни миллионов лет[81]. CRISPR обнаружен в 46 % бактериальных геномов и почти во всех геномах архей, но, что удивительно, совсем не встречается в геномах высших организмов. Хотя на сегодняшний день Cas9 чаще всего используется совместно с CRISPR, являясь предметом ожесточенных патентных споров, о которых я расскажу позже, этот фермент представляет собой лишь каплю в море разнообразных систем CRISPR, встречающихся в природе. Ученые прикладывают массу усилий, чтобы изучить биологическое разнообразие на Земле, открыть новые белки семейства Cas с новыми функциями и расширить набор инструментов CRISPR[82].

После того как исследователь определил последовательность гена, на которую он хочет воздействовать, он может перейти на любое количество веб-сайтов, ввести желаемый генетический текст и заказать индивидуально подобранную короткую последовательность направляющей РНК. Если CRISPR – это молекулярная система работы с текстами, то направляющая РНК действует как функция CTRL + F, выявляющая интересующие последовательности генов. Работа Cas9 подобна нажатию клавиш CTRL + X. Однако редактирование генома – это не просто наведение курсора для выделения и удаления опечатки. Речь идет о том, чтобы решить, что будет дальше и как этим управлять, как исправить опечатку.

Разрезание ДНК при помощи CRISPR. 1. Сканирование: нуклеаза Cas9 связывается с направляющей РНК, образуя рибонуклеопротеидный комплекс. Направляющая состоит из крРНК и трансактивирующей крРНК. Комплекс Cas9 сканирует ДНК в поисках последовательности PAM, которая служит первичным сигналом для проверки совпадения последовательностей. 2. Сцепление: Cas9 связывается с ДНК и расщепляет двойную спираль, позволяя крРНК комплементарно (взаимодополняюще) присоединиться к одной нити ДНК. 3. Разрезание: если ДНК и РНК полностью совпадают, Cas9 претерпевает конформационное изменение, в результате чего обе нити ДНК разрезаются в одном и том же месте. (По материалам пункта 23 примечаний.)

Клетки обладают множеством молекулярных механизмов восстановления разрывов и других мутаций в ДНК. Если бы их не было, нас бы не было в живых. Два наиболее известных механизма называются негомологичным соединением концов (NHEJ) и гомологически направленной репарацией (HDR). NHEJ небрежно сшивает вместе разорванные концы ДНК, что часто приводит к небольшим вставкам или делециям генетического текста в месте восстановления. Это идеально подходит для исследователей, использующих CRISPR для преднамеренного нарушения функции гена путем его нарушения с помощью добавления случайных вставок и делеций. Другой механизм, HDR, при наличии подходящей матрицы производит надежное восстановление. В нормальных условиях матрицей является соответствующий ген на сестринской хромосоме. Прелесть редактирования генома при помощи CRISPR заключается в том, что исследователь может предоставить подходящую матрицу, содержащую желаемую последовательность для восстановления разрыва, вызванного Cas9, что приводит к нужному изменению в определенном месте молекулы ДНК[83][84].

В январе 2020 г. около пятисот ученых собрались в Банфе, горнолыжном курорте на юге канадских Скалистых гор, чтобы провести первую большую конференцию года, посвященную CRISPR. (Она также оказалась и последней, поскольку пандемия COVID-19 лишила желающих возможности ездить на подобные мероприятия.) Организаторы пригласили Дудну выступить с речью на открытии, состоявшемся воскресным утром, – к этой роли она уже привыкла. Она начала с искренних извинений за то, что не сможет остаться и пообщаться с участниками в течение следующих нескольких дней, поскольку ей было необходимо вернуться в Беркли, чтобы в понедельник утром прочитать лекцию для шестисот студентов.

Лекция Дудны, прочитанная с той же скромностью и почтением перед наукой, что были ей свойственны в начале карьеры более трех десятилетий назад, служила биотехнологическим эквивалентом обращения президента США к конгрессу о положении в стране. Основная мысль ее вступительной речи – дани уважения не только ее собственной работе, но и труду множества исследователей за предыдущую четверть века – была простой:

«Прецизионное редактирование генома осуществимо»[85].

Глава 3 Мы можем быть героями

У великих моментов в истории науки и технологий может быть самая неожиданная завязка. В 1966 г. Playtex, компания, создавшая культовый бюстгальтер Cross Your Heart, приняла участие в конкурсе NASA по разработке скафандра для первой высадки «Аполлона» на Луну. Костюмы должны были выдерживать давление и резкие перепады температур. Кроме того, они должны были обладать гибкостью – свойством, которое Playtex продемонстрировала, засняв, как один из технических специалистов компании часами играет в американский футбол в скафандре. В результате четыре швеи Playtex сшили двадцатислойный скафандр A7L, в котором Нил Армстронг прошелся по лунному подиуму[86].

Перенесемся от Моря Спокойствия на Луне к солончакам Санта-Полы у Средиземного моря. Я нахожусь в Аликанте, популярном туристическом курорте на побережье Коста-Бланка на юго-востоке Испании. Вряд ли можно сказать, что здесь самая экстремальная среда обитания на Земле. Однако, проехав примерно двадцать километров на юг, вы доберетесь до Салинас-де-Санта-Пола. Соляные озера, или солончаки, как следует из названия, представляют собой сеть прямоугольных лагун с экстремально высокой концентрацией соли, получившейся в результате сильного воздействия солнца и ветра. По периметру, где вода встречается с сушей, соль кристаллизуется, образуя твердую белую полосу, похожую на идеальный край бокала с коктейлем «Маргарита».

Это место имеет экологическое, историческое и коммерческое значение. Здесь живут фламинго и другие виды животных. Сторожевая башня, построенная в XVI в., служила подданным короля Филиппе II: отсюда они вели наблюдение за маврами. Это место похоже на заповедник, но на самом деле – это промышленная соляная шахта. В каждом озере размером с футбольное поле постоянно концентрируется соль. Сегодня Bras del Port добывает ежедневно из Средиземного моря в среднем около 4000 тонн соли. Горы соли готовы для отправки: около 60 % пойдет на очистку воды, остальное – в пищу.

Для Франсиско Мохики, микробиолога из Университета Аликанте, изучение галофильных организмов, которые процветают в этой своеобразной среде обитания, составляет особую страсть. Там, где он когда-то трудился в безвестности, сегодня изо всех сил стараются избежать внимания СМИ. В 2017 г. ведущая испанская газета El País высказала предположение, что однажды Мохика переберется из солончаков в нобелевские спа-курорты.

Мохика любезно согласился довезти меня на своем неброском Volkswagen Passat до Салинас. Этот путь он проделывает довольно часто, обычно в компании фотографов или съемочных групп, которые просят его изобразить, как он осматривает чистые розовые воды или смотрит сквозь стеклянную емкость с соленой водой на солнце, как в первый раз, будто любуясь бокалом риохи. По счастливому стечению обстоятельств Мохика никогда не собирал образцы для своих собственных исследований, поскольку во времена, когда он был молодым аспирантом, в лаборатории уже имелась груда материалов, собранных его руководителем за предыдущие десять лет.

Впервые Мохика попал на солончаки после того, как закончил военную службу в 1989 г. Он искал работу в качестве научного сотрудника, и вскоре ему предложили должность на кафедре микробиологии местного университета в лаборатории, изучающей микроорганизм под названием «галоферакс». «Меня не особенно интересовали эти организмы. Мой руководитель сам решил вопрос с моей диссертацией», – сообщил он, пока мы гуляли по соляным озерам[87].

Галоферакс – это не бактерией (хотя раньше его ошибочно называли Halobacterium), но принадлежит к особой группе одноклеточных организмов – археям. Невооруженным глазом эти два таксона трудно отличить друг от друга. Но это не согласуется с эволюционной пропастью продолжительностью около трех миллиардов лет. Признание того, что археи – это не просто ответвление от прокариот, но совершенно отдельный «третий домен» живых существ, является результатом плодотворной работы биолога-эволюциониста Карла Вёзе. Секвенирование ДНК выявило поразительные генетические различия между археями и бактериями, подобно тому как операционная система Windows отличается от macОS. Об этом удачно сказал Эд Йонг: «Это все равно, что мы смотрим на карту мира, а Вёзе вежливо объясняет, что треть ее еще не развернули»[88].

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.

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.

«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].

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].

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].

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.

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:

У CRISPR наконец-то появилось название, как и у группы необычных генов, которые, казалось, были связаны с элементами CRISPR. Янсен разумно, хотя и без всякого воображения, назвал их Cas (от англ. CRISPR-associated – «связанные с CRISPR»). В то время Мохика был все еще сосредоточен на изучении любопытных спейсеров CRISPR.

В конце концов прорыв был совершен красивым вечером в августе 2003 г. Мохика проводил со своей женой отпуск недалеко от дома, около соляных озер. Из-за жары Мохика нашел повод вернуться в лабораторию, оборудованную кондиционером, где он мог провести еще несколько компьютерных поисков. Это было обычным делом, почти как в видеоигре: Мохика копировал последовательность одного из загадочных спейсеров и вводил ее в компьютерную программу BLAST, которая искала совпадения в огромной базе данных ДНК – GenBank. Мохика запускал этот поиск сотни раз, но безрезультатно. Коллеги говорили, что это пустая трата времени. Но в тот день, к его удивлению, компьютер зафиксировал совпадение. Один конкретный спейсер из E. coli соответствовал участку вирусной ДНК под названием P1, который, что важно, инфицирует эту же бактерию. В течение последующих недель Мохика каталогизировал десятки других совпадений между спейсерами CRISPR и различными вирусами.

В октябре Мохика отправил самую важную статью в своей жизни в ведущий журнал – Nature. «Я помню, что заголовок звучал так: "Повторы прокариот участвуют в работе иммунной системы". Чтобы убедить редактора и рецензентов, мы написали, что открытие приобретенной иммунной системы прокариот будет иметь огромное значение для биологии и клинических наук. И каков был результат? Нашу работу даже не рассмотрели!»[100]

Возможно, что-то неверно перевели, но редакторы журнала Nature не нашли эту идею концептуальным достижением, «представляющим достаточный общий интерес», которого заслуживают публикации на его престижных страницах. Мохика подал апелляцию, утверждая, что это первое описание бактериальной иммунной системы с функцией памяти. Сотрудники Nature указали, что они готовы пересмотреть свое решение, если им будет предоставлено описание механизма, лежащего в основе этого свойства иммунитета. Однако группа Мохики не смогла найти экспериментального подтверждения гипотезе. Все, что у них было, – это бесспорное доказательство в виде последовательностей. Одна из причин, как оказалось, заключается в том, что CRISPR не работала в наиболее популярном лабораторном материале, E. coli[101]. Как если бы у Мохики были уличающие вещественные доказательства, но не было видеозаписи с камер наблюдения.

Мохика зализал раны и подал статью на рассмотрение в другой журнал… и еще в другой. Три журнала, включая Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), отказались от CRISPR. Каждая задержка публикации увеличивала вероятность, что Мохику обойдут конкуренты. Наконец в октябре 2004 г. он отправил рукопись в малоизвестный журнал, специализирующийся на эволюции. Прошло целых полгода, прежде чем он получил одобрение от редактора. Три месяца спустя его статья была принята в печать. «Эти два года были для меня кошмаром, – рассказывает он. – Когда у вас в руках есть что-то настолько сенсационное и вы отправляете это в очень хорошие журналы – и все они решают, что это недостаточно интересно для публикации, – вы думаете, я что, сумасшедший? или здесь что-то не так?»[102]