Элис Робертс - Приручение. 10 биологических видов, изменивших мир

Для распространения определенного варианта гена в поголовье кур необходимо поместить этот ген в клетки, из которых потом образуются гаметы (гаметы – это яйцеклетки и сперматозоиды). Такие клетки, расположенные в половых железах кур (и людей), называются первичными половыми клетками. По сути, речь идет о бессмертных клетках, которые постоянно делятся, и часть их «потомков» превращается в яйцеклетки или сперматозоиды, в зависимости от пола животного, а часть остаются первичными половыми клетками, готовыми продолжать деление, производя все новые яйцеклетки и сперматозоиды и заменяя родительские клетки. Обычный способ, благодаря которому необходимый ген оказывается в первичных половых клетках, – это селективное разведение, косвенный путь, успех которого зависит от чистой случайности. Определяют кур, обладающих необходимым признаком, скрещивают их, и ученым остается лишь надеяться, что ген, отвечающий за интересующий их признак, находится в гаметах и передастся некоторым особям нового поколения. Распространение признака во всем поголовье требует нескольких поколений. Но представьте, что этот процесс можно было бы ускорить, снабдив все яйцеклетки курицы или все сперматозоиды петуха нужным геном, – тогда можно быть уверенным, что после скрещивания у всех потомков будет иметься этот ген и проявится желаемый признак. Именно это и позволяет сделать новая технология редактирования генов. И, по счастливой случайности, изъять первичные половые клетки из куриного эмбриона для их последующего изменения достаточно просто.

Куры вызывают у эмбриологов глубокий интерес еще со времен Аристотеля, который три недели наблюдал за развитием цыплят в яйце. Можно удалить часть скорлупы, чтобы следить за процессом роста эмбриона – и даже взаимодействовать с ним, – не причиняя ему вреда. Цыпленок развивается с одной стороны яйца – с его строением, полагаю, все мы знакомы. До того как яйцо покрывается белком, а затем скорлупой, оно представляет собой желтый сгусток, в котором большую часть пространства занимает крупный желток.

Куриное яйцо после овуляции достигает 2,5 см в диаметре, а человеческая яйцеклетка – всего 0,14 мм. На самом деле, по сравнению с другими клетками нашего организма, это очень крупная клетка. В ней содержится достаточное количество цитоплазмы – внутренней среды клетки, – чтобы обеспечить развитие эмбриона после оплодотворения. Оплодотворенная человеческая яйцеклетка делится, превращаясь в шар из клеток, при этом ее размер не меняется. А вот неоплодотворенное куриное яйцо огромного размера. Его диаметр примерно соответствует диаметру желтка в яйце, которое мы едим, и большая часть неоплодотворенного яйца из него и состоит. Это одна крупная клетка, напичканная питательными веществами желтка для обеспечения развития эмбриона, и совсем-совсем крошечное количество цитоплазмы на одном конце – все это можно разглядеть за завтраком, если захотите. В цитоплазме находится ядро с хромосомами – генетическим материалом, который новый организм получит от матери. Отцовский генетический материал в яйцеклетку доставляет сперматозоид. И вот тогда-то и начинается самое интересное. Если оплодотворенные яйцеклетки млекопитающих делятся медленно – первое клеточное деление (на две клетки) происходит примерно через двадцать четыре часа после оплодотворения, то оплодотворенное куриное яйцо так долго не ждет. К моменту, когда курица откладывает яйца, то есть примерно через двадцать четыре часа после оплодотворения, в яйце уже сформировался зародышевый диск (бластодиск), из почти 20 000 клеток. Если сразу же вскрыть скорлупу яйца, легко заметить этот белый диск на поверхности желтка. Если отложенное оплодотворенное яйцо содержится в тепле, зародышевый диск – те самые 20 000 клеток – продолжает расти, делиться и формировать куриный эмбрион.

Всего через четыре дня после откладывания яйца зародышевый диск уже «свернулся» в трубку, формируя тело будущего цыпленка. В нем отчетливо виден развивающийся глаз, и сердце эмбриона уже бьется. (Для сравнения, человеческий эмбрион достигает сходной стадии развития лишь через полные четыре недели с момента зачатия.) К этому времени вокруг эмбриона цыпленка также сформировалась сеть кровеносных сосудов, оплетающая наружную поверхность желтка. Если посмотреть на четырехдневное оплодотворенное яйцо, которое высиживает курица, на свет, эти сосуды прекрасно видны, они расходятся как тонкая красная паутинка из центрального красного сгустка – это и есть зародыш. Если проделать в скорлупе крошечное отверстие и вставить тонкую иглу в один из кровеносных сосудов эмбриона, то можно взять минимальный образец крови. В нем содержатся первые кровяные клетки, а также некоторые стволовые клетки, имеющие ключевое значение. Это и есть те самые первичные половые клетки, которые в конце концов окажутся в половой железе развивающегося цыпленка и будут готовы производить яйцеклетки или сперматозоиды, в зависимости от пола особи.

Майк Макгру берет анализы крови у эмбрионов на еще более ранней стадии развития, когда тем всего два с половиной дня от роду. На этом этапе развития в крошечном образце крови содержится сто первичных половых клеток. Далее он проделывает следующую операцию: в течение нескольких месяцев выращивает культуру этих клеток вне эмбриона. Это дает исследователю возможность редактировать гены, используя новый метод для точной модификации, вырезая участки ДНК и вставляя на их место новые.

После внесения всех необходимых изменений первичные половые клетки снова вводятся в куриный эмбрион, который также подвергся генетическим манипуляциям и не производит собственные половые клетки. Как ни странно, далее процесс развития протекает нормально: генетически модифицированные первичные половые клетки перемещаются в яичники или семенники развивающегося цыпленка. Когда он вылупляется и вырастает в курочку или петушка, то его организм производит яйцеклетки или сперматозоиды с измененной ДНК.

Инструмент, позволяющий генетикам вносить точные изменения в геном, носит название CRISPR – это новейший механизм в неонеолитическом наборе инструментов, доступном специалистам в области генной инженерии. Значительно усовершенствованная методика по сравнению с традиционной технологией вирусных векторов, хотя и этот новый инструмент тоже позаимствован у природы и был открыт в результате многолетних обширных исследований способов ведения непрекращающейся войны между вирусами и бактериями.

Некоторые бактерии научились весьма хитроумно отражать вирусные атаки, сформировав систему, обеспечивающую их иммунитет к вирусам. Когда такие бактерии подвергаются нападению вирусов, они копируют участок генетического кода вируса в свой собственный геном. Подобное поведение кажется неразумным – так содействовать вирусу, – но это вовсе не так. Таким образом бактерии «запоминают» патоген и успешно отражают его нападение в будущем. Участок ДНК вируса в геноме бактерии окружается странными повторяющимися участками собственной ДНК бактерии, служащими своего рода закладками для бактерии. Эти закладки известны как CRISPR, от английской аббревиатуры, которая обозначает «группы коротких палиндромных повторов, разделенных регулярными промежутками» (Clustered Regularly interspaced Short Palindromic Repeats). При заражении бактерии вирусом ее клетка ищет нужную закладку и прочитывает короткий участок вирусной ДНК, а именно копирует ее последовательность в несколько иной молекуле, РНК (название расшифровывается как рибонуклеиновая кислота, а ДНК – как дезоксирибонуклеиновая кислота). Эта копия, направляющая РНК (гид-РНК), связывается с ферментом бактериальной клетки, разрезающим ДНК, как молекулярные ножницы. Гид-РНК «наводится на цель», связывается с ДНК атакующего патогена, и тогда фермент разрезает ее, нейтрализуя вирус. Таким образом, если вам необходимо сделать разрез в ДНК в строго определенном месте, будет достаточно обозначить цель, создав соответствующую направляющую РНК, а затем связать ее с ферментом-«ножницами», чтобы сделать разрез в ДНК в нужном месте. При этом разрезов можно сделать столько, сколько вы захотите, и на любом участке ДНК.