Сэмюел Стернберг - Трещина в мироздании [litres]

Мы предлагаем альтернативный метод, основанный на программируемом с помощью РНК ферменте Cas9, который может представлять значительный потенциал для применения в сферах направленного воздействия на гены и редактирования генома [78] M. Jinek et al., “A Programmable Dual-RNA-Guided DNA Endonuclease in Adaptive Bacterial Immunity”, Science 337 (2012): 816–821. .

Сидя за компьютером в солнечную пятницу восьмого июня 2012 года, я нажала на кнопку “Подтвердить” в форме для представления статей на рассмотрение в журнал Science . Ее опубликуют всего двадцать дней спустя, 28 июня, и после этого уже ничто не будет прежним – ни для меня, ни для моих соратников, ни для биологической науки. В тот момент, однако, мое восхищение этим знаковым моментом было приглушено. Я была измотана, как никогда в жизни.

У меня появилось ощущение, что я сидела за столом много недель, поэтому я поднялась и – в некотором оцепенении – вышла из Стэнли-холла в полный зелени кампус Беркли. Лужайка вокруг круглого бассейна перед нашим зданием была подозрительно пустой. Весенний семестр закончился уже почти месяц назад; в кампусе, обычно бурлящем жизнью, было пугающе тихо.

И это, как я теперь понимаю, было затишье перед бурей.

Примерно через год после того, как наша статья о CRISPR вышла в журнале Science , я оказалась в Кембридже, штат Массачусетс, – в первой своей поездке по стране для обсуждения нашего открытия (впоследствии такие поездки случались каждый месяц).

То был июнь 2013-го, и я отправилась в Гарвардский университет, чтобы встретиться там с восходящей звездой с местной кафедры изучения стволовых клеток и регенеративной биологии. Кабинет профессора Кирана Мусунуру находился в здании имени Шермана Фэйрчайлда, в котором я слушала лекции по химии в 1980-х, когда была аспирантом. Тридцать лет спустя здание снаружи выглядело почти так же, но внутри его полностью обновили. Ушли в прошлое старомодные потоковые аудитории и биохимические лаборатории с устаревшим оборудованием. На смену им пришли белые, просторные, ярко освещенные помещения, оборудованные по последнему слову техники. В тот день, когда я была там, это современное пространство кипело жизнью: десятки исследователей работали сообща ради разгадки самых глубоких тайн клеток и тканей.

В некотором смысле преобразование Фэйрчайлд-билдинг – особенно смещение фокуса внимания с фундаментальной биохимии на прикладную биологию – совпадало с той метаморфозой, что произошла в моем мировосприятии и научной работе. Предыдущий год пронесся как ураган. Исследователи со всего мира – гораздо больше, чем могла бы вместить любая лаборатория, – быстро подхватили полученные нами сведения о биохимических свойствах CRISPR-Cas9 и стали их применять. Они уже успели использовать эти новые знания, чтобы изменить нужным образом ДНК бесчисленного множества организмов, включая генетический материал клеток человека. И ученые, и врачи воспринимали CRISPR как священный Грааль генетических манипуляций: быстрый, простой и точный способ устранить дефекты генетического кода. Будто в мгновение ока я перенеслась из области изучения бактерий и биологии CRISPR -Cas в мир медицины и биологии человека. Для такого узкоспециализированного ученого, как я, это был квантовый скачок – как если бы я заснула в Беркли и проснулась на Марсе.

Моя встреча с Мусунуру была прекрасной иллюстрацией ажиотажа вокруг этой новой технологии. Я приехала в Гарвард, чтобы обсудить варианты применения CRISPR в лечебных целях, но Киран уже был на шаг впереди меня. Прежде чем мы прошли в его кабинет, он пригласил меня прогуляться по лаборатории. В ходе этой экскурсии он живо описал мне множество способов применения CRISPR, которые его сотрудники использовали для разработки методов лечения генетических заболеваний.

Одной из мишеней экспериментов его команды, объяснил Киран, была серповидноклеточная анемия – состояние, при котором одна мутация в ДНК нарушает способность красных кровяных телец разносить кислород по телу. Сотрудники лаборатории использовали CRISPR для того, чтобы найти и вырезать мутировавший ген бета-глобина, тем самым запуская возвращение “правильного” Т, 17-го по счету нуклеотида в гене, на место “неправильного” А. И если бы у них получилось доработать технологию на реальных человеческих клетках в лаборатории, то были бы все основания предполагать, что того же самого можно достичь и у пациентов – и таким образом заложить основы терапии, позволяющей устранить саму причину генетического заболевания.

Я вслед за Кираном подошла к монитору, на котором слева направо одна под другой отображались длинные цепочки нуклеотидов ДНК. Мусунуру указал на две последовательности в верхней части экрана и объяснил, что они представляют собой “буквы” ДНК бета-глобина из клеток крови двух пациентов – здорового и страдающего серповидноклеточной анемией. Ожидаемо, что у здорового человека семнадцатый нуклеотид в этом гене был Т, а у больного – А.

Затем Киран обратил мое внимание на самую нижнюю строчку. Последовательность ДНК там также была взята из гена бета-глобина пациента с серповидноклеточной анемией, но после того, как ученые ввели ему в кровь три элемента CRISPR-системы. Первым из них был набор генетических инструкций из Streptococcus pyogenes для синтеза белка Cas9. Второй элемент представлял собой построенную на основе информации от CRISPR молекулу направляющей РНК, составленную таким образом, чтобы она взаимодействовала точно с мутировавшим участком гена бета-глобина. Третий элемент – это специально синтезированная замена фрагмента ДНК, кусочек “здоровой” последовательности гена бета-глобина, которую клетки используют для починки этого гена после того, как Cas9 его разрезал. Киран применил систему CRISPR -Cas 9, чтобы вырезать определенную целевую часть генома, а также пометить место разреза таким образом, чтобы сама клетка могла заменить дефектную последовательность на нужную, правильную.

Взглянув на нижнюю часть монитора, я, к своему восторгу, увидела, что именно это и произошло: последовательность ДНК у больного серповидноклеточной анемией теперь была неотличима от той, что взяли у здорового человека. Используя CRISPR, сотрудники Кирана с идеальной точностью заменили вызывающую заболевание “букву” А на нормальную “букву” Т, никак не изменив при этом другие участки генома. В простом эксперименте с использованием клеток крови пациента они показали, что система CRISPR-Cas9 способна вылечить заболевание, поражающее миллионы людей по всему миру и приводящее к инвалидности.

В тот вечер я вышла на пробежку по набережной реки Чарльз. Я не раз бегала здесь, пока работала над получением степени доктора философии, а теперь, когда рядом снова струились такие знакомые воды Чарльза, я чувствовала, будто снова вернулась в те времена. Пока я бежала, память уносила меня назад, к обсуждениям репарации ДНК, большинство которых вращалось вокруг исследования, которое опубликовали мой научный руководитель Джек Шостак и его аспирантка Терри Орр-Вивер. В то время многие ученые были озадачены предложенной ими моделью, которая описывала, каким образом клетки устраняют повреждения двойной спирали ДНК. В еще большее замешательство всех привело предположение, выдвинутое Марией Джесин и ее коллегами из Мемориального онкологического центра имени Слоуна – Кеттеринга: ученые могут использовать механизмы устранения этих повреждений для изменения требуемых последовательностей ДНК. Однако эта стратегия сработала для предшествующих технологий, таких как ZFN и TALEN, и теперь мы наблюдали воочию, что это предположение оказалось верным и для CRISPR. Более того, основанный на CRISPR метод редактирования генов было гораздо проще применять. Вытеснит ли он более старые технологии так же, как компакт-диски вытеснили магнитофонные кассеты (а те, в свою очередь, вытеснили виниловые пластинки)? Я размышляла об этом, пока бежала от Гарвард-сквер до моста Лонгфелло и обратно, и совершенно не замечала, как вокруг меня сменяется городской пейзаж: его затмевал рой мыслей о CRISPR.