О системе CRISPR-Cas9 говорят так много, что может показаться, будто это единственный метод редактирования генома. На самом деле нет: идея переписывать генетический текст в ДНК возникла давно, и по мере развития молекулярной биологии стали появляться соответствующие экспериментальные техники. Но говоря о методе редактирования генома, мы имеем в виду, что такой метод должен быть точным, универсальным и удобным. Точный метод будет вносить правки только туда, куда нам нужно, без непредсказуемой самодеятельности. Универсальность означает, что мы можем выбрать для правки любое место в любой хромосоме. А удобство означает скорость и простоту в обращении. CRISPR-Cas9 не абсолютно точен, не абсолютно универсален и не слишком прост, но для сегодняшней науки он стал поистине революционным.

Метод CRISPR-Cas9 позаимствовали у бактерий. Cas9 – название белка, CRISPR – аббревиатура: Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats, что можно перевести как «короткие палиндромные повторы в ДНК, расположенные регулярными группами». Образно говоря, CRISPR – это память о вирусных инфекциях. Бактерия может пережить вторжение вируса, после которого в её клетке останутся фрагменты вирусной ДНК – бактерия встраивает их в свою ДНК. Вирусные последовательности перемежаются вышеупомянутыми короткими повторами – так получается библиотека CRISPR. Когда в клетке появляется чужеродная ДНК, бактерия сравнивает её с библиотечными фрагментами. Если совпадение есть, значит, чужую ДНК нужно разрушить. И вот тут в дело вступают ферменты Cas (собственно, это тоже сокращение: CRISPR-associated, то есть гены, чьи функции связаны с CRISPR). По сути, система CRISPR-Cas выглядит как противовирусный иммунитет, который помнит прошлые инфекции и быстро избавляется от знакомого вируса, если тот снова атакует клетку.

Дженнифер Дудна (Jennifer Doudna), одна из нынешних лауреаток, во второй половине 2000-х как раз присоединилась к исследованиям CRISPR. Она и её коллеги сумели выделить и описать функции нескольких белков Cas. Примерно в то же время Эммануэль Шарпантье (Emmanuelle Charpentier), другая нынешняя лауреатка, занималась некоторыми вопросами, связанными с регуляцией генов у бактерий. Как известно, информация с генов в ДНК сначала копируется в молекулу РНК, а на молекуле РНК уже синтезируются белки. Но часто бывает так, что РНК работает в клетке сама по себе, как самостоятельная регуляторная молекула. Эммануэль Шарпантье заметила, что одна из таких РНК выглядит как копия фрагмента CRISPR. Как оказалась, эта РНК необходима, чтобы привести в действие машину бактериального противовирусного иммунитета.

Дальнейшие совместные исследования Шарпантье и Дудны позволили в деталях понять, как работает система CRISPR-Cas. Ещё раз напомним в двух словах, как всё происходит: фермент Cas берёт в качестве образца молекулу РНК, скопированную с библиотеки CRISPR, и сличает с ней чужеродную ДНК – если есть совпадения, значит, в клетку проник знакомый вирус и его ДНК нужно уничтожить. В какой-то момент Шарпантье и Дудне пришло в голову, что фермент, разрушающий ДНК, можно направить куда вздумается – главное, снабдить его нужным образцом-инструкцией в виде РНК. Такие эксперименты успешно провели. А дальше систему CRISPR-Cas оставалось приспособить для работы в клетках животных и растений.

Сейчас существует множество вариантов этого метода. Никакого бактериального CRISPR в клетки не вводят, но зато вовсю пользуются бактериальными Cas-белками (Cas9 – один из них). Ферменту дают инструкцию – заранее синтезированную молекулу РНК, которая повторяет последовательность того участка хромосомы, который нужно отредактировать. Затем комплекс белка и РНК тем или иным способом отправляют в клетку. Но просто разрезать ДНК – не такая уж интересная задача. Нам нужно отредактировать ДНК, то есть заменить в ней одну или несколько генетических букв, или вообще удалить их, или добавить новые к уже существующим.

Когда в клеточной ДНК появляется разрыв, клетка сразу старается его заделать. При этом она использует некий шаблон, например, парную цепь ДНК или похожий участок ДНК на гомологичной хромосоме. Но в качестве шаблона можно подсунуть клетке что-то другое. Именно так делают в методе CRISPR-Cas9: вместе режущим белком и направляющей его РНК в клетку вводят шаблон – кусок нуклеиновой кислоты, по которому клетка должна залатать разрыв. Очевидно, что таким способом в клеточную ДНК можно ввести любую мутацию, отключить любой ген – или, наоборот, исправить мутацию и заставить ген работать нормально.

Систему CRISPR-Cas9 приспособили к самым разным клеткам: с её помощью редактируют и растительные геномы, и ДНК крыс, и ДНК обезьян, и даже ДНК человека. Некоторые исследования, в которых CRISPR-Cas9 применили к человеческим эмбрионам, провоцируют огромные скандалы на тему этики (об одной такой работе мы как-то рассказывали; другой похожий скандал разразился в 2018 году, когда в Китае родились две девочки, которых на стадии эмбриона попытались сделать устойчивыми к ВИЧ). Но если отвлечься от скандалов, стоит признать, что CRISPR-Cas9 действительно открыл перед биологами бескрайние перспективы. С помощью этого метода мы не только узнаём множество новых фундаментальных вещей о том, как работают гены и клетки, но и уже сейчас лечим генетические заболевания, о чём раньше не могли и мечтать.

По материалам Нобелевского комитета.