Ми багато разів розповідали про метод редагування геному під назвою CRISPR-Cas9. Що ж, розповімо про нього ще раз - тому що творці цього методу тільки що були удостоєні Нобелівської премії з хімії.
Про систему CRISPR-Cas9 говорять так багато, що може здатися, ніби це єдиний метод редагування геному. Насправді ні: ідея переписувати генетичний текст в ДНК виникла давно, і в міру розвитку молекулярної біології стали з'являтися відповідні експериментальні техніки. Але говорячи про метод редагування геному, ми маємо на увазі, що такий метод повинен бути точним, універсальним і зручним. Точний метод буде вносити правки тільки туди, куди нам потрібно, без непередбачуваної самодіяльності. Універсальність означає, що ми можемо вибрати для правки будь-яке місце в будь-якій хромосомі. А зручність означає швидкість і простоту в обігу. CRISPR-Cas9 не абсолютно точний, не абсолютно універсальний і не дуже простий, але для сьогоднішньої науки він став воістину революційним.
Метод CRISPR-Cas9 запозичили у бактерій. Cas9 - назва білка, CRISPR - абревіатура: Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats, що можна перекласти як «короткі паліндромні повтори в ДНК, розташовані регулярними групами». Образно кажучи, CRISPR - це пам'ять про вірусні інфекції. Бактерія може пережити вторгнення вірусу, після якого в її клітці залишаться фрагменти вірусної ДНК - бактерія вбудовує їх у свою ДНК. Вірусні послідовності перемежуються вищезгаданими короткими повторами - так виходить бібліотека CRISPR. Коли в клітині з'являється чужорідна ДНК, бактерія порівнює її з бібліотечними фрагментами. Якщо збіг є, значить, чужу ДНК потрібно зруйнувати. І ось тут у справу вступають ферменти Cas (власне, це теж скорочення: CRISPR-associated, тобто гени, чиї функції пов'язані з CRISPR). По суті, система CRISPR-Cas виглядає як противірусний імунітет, який пам'ятає минулі інфекції і швидко позбавляється від знайомого вірусу, якщо той знову атакує клітку.
Дженніфер Дудна (Jennifer Doudna), одна з нинішніх лауреаток, у другій половині 2000-х саме приєдналася до досліджень CRISPR. Вона і її колеги зуміли виділити і описати функції декількох білків Cas. Приблизно в той же час Еммануель Шарпантьє (Emmanuelle Charpentier), інша нинішня лауреатка, займалася деякими питаннями, пов'язаними з регуляцією генів у бактерій. Як відомо, інформація з генів у ДНК спочатку копіюється в молекулу РНК, а на молекулі РНК вже синтезуються білки. Але часто буває так, що РНК працює в клітці сама по собі, як самостійна регуляторна молекула. Еммануель Шарпантьє зауважила, що одна з таких РНК виглядає як копія фрагмента CRISPR. Як виявилася, ця РНК необхідна, щоб привести в дію машину бактеріального противірусного імунітету.
Подальші спільні дослідження Шарпантьє і Дудни дозволили в деталях зрозуміти, як працює система CRISPR-Cas. Ще раз нагадаємо в двох словах, як все відбувається: фермент Cas бере як зразок молекулу РНК, скопійовану з бібліотеки CRISPR, і викриває з нею чужорідну ДНК - якщо є збіги, значить, в клітку проник знайомий вірус і його ДНК потрібно знищити. У якийсь момент Шарпантьє і Дудне спало на думку, що фермент, який руйнує ДНК, можна направити куди заманеться - головне, забезпечити його потрібним зразком-інструкцією у вигляді РНК. Такі експерименти успішно провели. А далі систему CRISPR-Cas залишалося пристосувати для роботи в клітинах тварин і рослин.
Зараз існує безліч варіантів цього методу. Ніякого бактеріального CRISPR в клітини не вводять, але зате щосили користуються бактеріальними Cas-білками (Cas9 - один з них). Ферменту дають інструкцію - заздалегідь синтезовану молекулу РНК, яка повторює послідовність тієї ділянки хромосоми, яку потрібно відредагувати. Потім комплекс білка і РНК тим чи іншим способом відправляють у клітку. Але просто розрізати ДНК - не така вже цікава задача. Нам потрібно відредагувати ДНК, тобто замінити в ній одну або кілька генетичних букв, або взагалі видалити їх, або додати нові до вже існуючих.
Коли в клітинній ДНК з'являється розрив, клітина відразу намагається його заробити. При цьому вона використовує якийсь шаблон, наприклад, парний ланцюг ДНК або схожу ділянку ДНК на гомологічній хромосомі. Але як шаблон можна підсунути клітині щось інше. Саме так роблять у методі CRISPR-Cas9: разом ріжучим білком і направляючою його РНК в клітку вводять шаблон - шматок нуклеїнової кислоти, за яким клітина повинна залатати розрив. Очевидно, що таким способом у клітинну ДНК можна ввести будь-яку мутацію, відключити будь-який ген - або, навпаки, виправити мутацію і змусити ген працювати нормально.
Систему CRISPR-Cas9 пристосували до самих різних клітин: за її допомогою редагують і рослинні геноми, і ДНК щурів, і ДНК мавп, і навіть ДНК людини. Деякі дослідження, в яких CRISPR-Cas9 застосували до людських ембріонів, провокують величезні скандали на тему етики (про одну таку роботу ми якось розповідали; інший схожий скандал вибухнув у 2018 році, коли в Китаї народилися дві дівчинки, яких на стадії ембріона спробували зробити стійкими до ВІЛ). Але якщо відволіктися від скандалів, варто визнати, що CRISPR-Cas9 дійсно відкрив перед біологами безкраї перспективи. За допомогою цього методу ми не тільки дізнаємося безліч нових фундаментальних речей про те, як працюють гени і клітини, але і вже зараз лікуємо генетичні захворювання, про що раніше не могли і мріяти.
За матеріалами Нобелівського комітету.