Текст книги "Трещина в мироздании"

Чандрасекаран решил собрать химерную нуклеазу из фрагментов двух встречающихся в природе белков, которые отлично справлялись с распознаванием и разрезанием последовательностей ДНК соответственно. Для разрезания Чандрасекаран выбрал участок бактериальной нуклеазы под названием FokI, который мог инициировать разрывы в ДНК, но не обладал предпочтениями к каким-либо последовательностям. А для “нацеливания” он приспособил повсеместно распространенные натуральные белки с цинковыми пальцами (ZFN), названные так потому, что они распознают ДНК, используя похожие на пальцы структуры, связанные ионами цинка и расположенные рядом друг с другом подобно пальцам на руке. Так как эти белки с цинковыми пальцами состоят из многократно повторяющихся, тандемно расположенных участков и каждый участок распознает определенную последовательность из трех “букв” ДНК, казалось вероятным, что ученые могут видоизменить эти белки, комбинируя фрагменты по-разному, чтобы они распознавали различные последовательности ДНК.

Удивительно, но химерная нуклеаза, судя по всему, сработала[36]36
  Y. G. Kim, J. Cha, and S. Chandrasegaran, “Hybrid Restriction Enzymes: Zinc Finger Fusions to Fok I Cleavage Domain”, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 93 (1996): 1156–1160.


[Закрыть]. Соединив “режущий” фрагмент FokI с распознающим ДНК участком белка с цинковыми пальцами, команда Чандрасекарана продемонстрировала, что искусственно составленная нуклеаза распознавала и резала именно ту ДНК, что ожидали ученые, – даже несмотря на то, что они смешали два белковых компонента из совершенно различных источников.

Вскоре Чандрасекаран пригласил к сотрудничеству профессора университета Юты Дану Кэрролл, чтобы использовать эти новые нуклеазы с цинковыми пальцами (ZFN) в более прикладных целях. Вместе они продемонстрировали, что ZFN работают и в яйцеклетках лягушки[37]37
  M. Bibikova et al., “Stimulation of Homologous Recombination Through Targeted Cleavage by Chimeric Nucleases”, Molecular and Cellular Biology 21 (2001): 289–297.


[Закрыть] (популярной среди биологов модельной системе) и что сделанные ZFN разрывы в ДНК стимулировали гомологичную рекомбинацию. Затем, работая с плодовыми мушками, сотрудники лаборатории Даны Кэрролл сумели запрограммировать новую ZFN на направленное воздействие на ген yellow (один из генов, определяющих окраску тела) и показали, что эта стратегия может обеспечить заданное генетическое изменение во всем организме[38]38
  M. Bibikova et al., “Targeted Chromosomal Cleavage and Mutagenesis in Drosophila Using Zinc-Finger Nucleases”, Genetics 161 (2002): 1169–1175.


[Закрыть]. Это был очень важный шаг в развитии редактирования генома. ZFN проявили себя не только подходящими для применения в организмах животных; что более важно, их оказалось можно видоизменить таким образом, чтобы их мишенями стали другие, новые гены.

Научное сообщество вскоре подхватило эстафету, и исследователи начали разрабатывать ZFN под собственные цели, выбирая в качестве мишеней новые гены и работая с новыми модельными объектами. В 2003 году Мэттью Портеус и Дэвид Балтимор первыми показали: ген в клетке человека можно редактировать с высокой точностью, используя специально созданную ZFN[39]39
  M. H. Porteus and D. Baltimore, “Chimeric Nucleases Stimulate Gene Targeting in Human Cells”, Science 300 (2003): 763.


[Закрыть]. Вскоре после этого Федор Урнов и его коллеги исправили в клетках человека мутацию, вызывающую сцепленный с X-хромосомой ТКИД[40]40
  F. D. Urnov et al., “Highly Efficient Endogenous Human Gene Correction Using Designed Zinc-Finger Nucleases”, Nature 435 (2005): 646–651.


[Закрыть]. Возможности использования редактирования генома для направленного воздействия на наследственные заболевания еще никогда не казались настолько близкими к реальности.

Тем временем ZFN также начали использовать в лабораториях, которым редактирование генома было необходимо совсем для других целей – например, создания “дизайнерских” злаков или животных моделей. В конце 2000-х технологию успешно применили к резуховидке Таля, табаку и кукурузе, показав, что двуцепочечные разрывы ДНК способствуют высокоэффективной гомологичной рекомбинации во многих типах клеток, а не только в клетках млекопитающих. В это же время стали появляться публикации, в которых рассказывалось об использовании ZFN для изменения генов у пресноводных лучеперых рыб данио-рерио, червей, крыс и мышей. Это направление работы выглядело интригующе и неизменно привлекало мое внимание – и в научных статьях, и на конференциях. Его потенциал казался чрезвычайно мощным.

Однако, несмотря на свою кажущуюся перспективность, белки ZFN никогда не применялись широко за пределами небольшого числа лабораторий. Исследователи, использовавшие эти нуклеазы, либо сами обладали громадным опытом в области белковой инженерии, либо сотрудничали с теми немногими лабораториями, в которых подобные эксперименты уже проводились, либо могли позволить себе платить баснословные деньги за нуклеазы, сконструированные на заказ. В теории создание ZFN было простым: нужно было просто соединить различные фрагменты белков с цинковыми пальцами, чтобы они распознавали последовательность ДНК, которую исследователь желает отредактировать. Однако на практике это было очень сложно. Большая доля создаваемых ZFN попросту не распознавали те последовательности ДНК, которые должны были распознавать; другие были слишком неразборчивы и воздействовали на первые попавшиеся участки ДНК, лишь отдаленно похожие на целевые, и убивали клетки, геном которых должны были отредактировать. В других случаях фрагмент с цинковыми пальцами успешно распознавал ДНК, однако нуклеазный фрагмент не разрезал ее.

Подобно тому как изменение I-SceI оказалось слишком сложной задачей, так и ZFN тоже, как выяснилось, было нелегко перепрограммировать, чтобы использовать в качестве универсального инструмента редактирования генома. Конечно, результаты экспериментов с ZFN убедительно доказали, что специально видоизмененные нуклеазы полезны, если редактирование генома – самоцель, однако в этой области науки все еще нужна была новая технология, более надежная и простая в использовании.

Такая технология – или, по крайней мере, первая ее версия – была открыта в 2009 году при изучении новых типов белков, найденных в патогенных бактериях рода Xanthomonas, поражающих растения. Эти белки, которые были названы активатороподобными эффекторами транскрипции (transcription activator – like effectors, TALE), были удивительно похожи по своему строению на белки с цинковыми пальцами: они состоят из многократно повторяющихся фрагментов, и каждый фрагмент распознает определенную область ДНК. Однако от белков ZNF их отличала важная деталь: в то время как каждый “палец” в последних распознает трехбуквенную последовательность ДНК, каждый фрагмент TALE-белков узнает всего одну “букву” ДНК. Это различие позволило ученым легко определить закономерность, по которой фрагмент будет распознавать определенную “букву” ДНК, и затем они просто расположили эти фрагменты один за другим таким образом, чтобы они распознавали более длинную последовательность ДНК в гене. В случае ZFN это лишь казалось легко сделать, однако с TALE процедура в самом деле была простой.

Ученые быстро взялись за исследование новейшей “зацепки”. Вскоре после того, как был расшифрован этот код, три лаборатории соединили белки TALE с теми же режущими ДНК фрагментами, что есть в ZFN, и создали нуклеазы TALE, или TALEN. TALE-нуклеазы были очень эффективны для инициации редактирования генома внутри клеток, и после того как удалось еще несколько усовершенствовать их строение, стало очень похоже на то, что TALEN будет гораздо проще создавать и применять, чем ZFN.

“Но как жаль бедняжек TALEN”[41]41
  S. Chandrasegaran and D. Carroll, “Origins of Programmable Nucleases for Genome Engineering”, Journal of Molecular Biology 428 (2016): 963–989.


[Закрыть], – писала Дана Кэрролл в статье, описывающей историю появления редактирования генома. Потому что, как только TALEN обнаружили и адаптировали для редактирования, их вытеснило следующее, и возможно последнее, открытие в области редактирования генома. Эта технология получила название CRISPR, и здесь моя история соединяется с историей редактирования генома – и вообще с этим длинным маршем истории науки, которая в тот момент подошла к порогу новой головокружительной эры.

Глава 2
Новая защита

В 2014 году я отметила двадцатилетие своей исследовательской лаборатории (и заодно мое пятидесятилетие) выездом сотрудников в места моего детства: на Гавайи. Около тридцати участников празднования (сборная солянка из студентов, аспирантов, постдоков, технических работников и близких, в числе которых оказался даже мой сын Эндрю) оккупировали три арендованных домика рядом с городом Кона на западном берегу Большого острова – всего в пятнадцати минутах от пляжа и нескольких часах езды от дома в Хило, в котором прошло мое детство. Днем мы устраивали пикники, бродили по Гавайскому вулканическому национальному парку, отправлялись на ближайшие пляжи или рынки и плавали с маской и трубкой среди нетронутых коралловых рифов, окружающих остров. Мы провели незабываемый вечер, наслаждаясь захватывающими видами красноватых отсветов от потоков лавы из кратера Халемаумау, а в другие вечера устраивали непринужденные вечеринки на задних двориках наших домов: общение, пицца и пиво, спонтанные танцы и караоке.

Конечно, как и на любом научном сборище, часть времени была посвящена выступлениям. За четыре дня мы провели четыре мини-симпозиума, на которых каждый сотрудник сделал пятнадцатиминутный доклад на выбранную им самим тему – от истории лаборатории до тонкостей структуры РНК.

На четвертый день постдок Росс Уилсон, взявший на себя большую часть забот по организации нашего путешествия, встал, чтобы прочесть последний доклад. Точнее, я думала, что это будет доклад. Но вместо этого Росс сделал нам сюрприз, показав короткий фильм, смонтированный из фрагментов видео, в которых фигурировала я сама. Оказывается – и я ничего об этом не знала! – коробка со старыми VHS-кассетами все эти годы передавалась от одного поколения сотрудников к другому: своего рода традиция лаборатории.

Гости то издавали одобрительные возгласы, то подтрунивали надо мной, пока один кадр на экране сменялся другим: вот я выступаю с благодарственной речью на церемонии награждения премией Национального научного фонда в 1999-м, вот мое фото со счетчиком Гейгера в руках в одном из номеров Vogue за 2000 год, а вот и отрывок из документального фильма, который Фредерик Уайзман снимал в моей лаборатории, к тому моменту переместившейся из Йельского университета в Калифорнийский университет в Беркли.

В этой нарезке оказались и фрагменты из двух новостных сюжетов, в которых я в свое время появлялась, и в обоих шла речь о первом крупном открытии, сделанном в моей лаборатории в Йеле в 1996 году. Я помнила о существовании этих видео, помнила даже кое-какие детали их содержания. В то время внезапный всплеск внимания к моей работе меня одновременно и радовал, и немного нервировал – ведь я тогда была молодой исследовательницей, проводившей большую часть времени за рабочим столом, в уединении своей лаборатории.

Из всех эпизодов в фильме Росса эти два вызвали самую бурную реакцию. Они казались такими безнадежно древними: начальнице всего около тридцати, ведущие выглядят и говорят старомодно, и в кадре видны громоздкие допотопные компьютеры, которые в то время, конечно, были последним словом техники.

Пока я веселилась вместе со всеми остальными, память уносила меня в те ранние годы моей работы в Йеле, и я вновь ощутила те надежды и страхи, которые испытала, когда двинулась в новую рискованную область исследований, начала работу над проектом, из которого, как предостерегали меня многие коллеги-ученые, никогда ничего не получится. Глядя теперь на то, как я в молодости отвечала на вопросы интервьюеров, я живо вспомнила и воодушевление, и ощущение тяжелой утраты – главные чувства, сопровождавшие меня в те годы. Мои тогдашние комментарии оказались на удивление точным предсказанием того, что произошло значительно позднее, по мере того как разворачивались мои исследования по новым направлениям.

Во времена, когда я давала эти интервью, моя лаборатория только что установила трехмерную структуру – точное расположение каждого атома – в молекуле рибонуклеиновой кислоты (РНК), образующей часть более крупной молекулы под названием самосплайсирующий рибозим. В 1980-х годах Том Чек, мой научный руководитель в Университете штата Колорадо в Боулдере, получил Нобелевскую премию за обнаружение самосплайсирующих рибозимов[42]42
  Если точнее, премию Чеку дали за обнаружение автокаталитических свойств рибозимов – то есть не только их способности к сплайсингу (сшиванию фрагментов) самих себя, но и их способности к разрезанию самих себя.


[Закрыть]. Его открытие было прорывом, поскольку существование самосплайсирующих рибозимов предполагает, что жизнь на Земле могла возникнуть из молекул РНК, способных и кодировать генетическую информацию, и копировать ее в примитивных клетках. Когда в 1994 году я возглавила собственную лабораторию в Йеле, я собиралась отталкиваться в своей работе от открытия Тома – изучить структуру рибозимов, чтобы лучше понять, как они работают. Я хотела определить, каким образом РНК – молекула, тесно связанная с ДНК, – может функционировать и в качестве хранилища генетических инструкций, и в качестве химически активной молекулы, способной изменять свою форму и биологическое “поведение”. Кульминацией этого исследования стало фантастически волнующее открытие: молекулы РНК могут складываться в трехмерные структуры, совершенно непохожие на изящную в своей простоте двойную спираль ДНК.

Однако моя радость от установления структуры рибозимов – эту работу я провела вместе со своим аспирантом Джейми Кейтом – омрачилась личной трагедией. Той осенью отец позвонил мне на работу в Йель, чтобы сообщить ужасную новость: ему диагностировали меланому на поздней стадии. В последние три месяца его жизни я трижды летала из Нью-Хейвена на Гавайи, чтобы подержать его за руку, почитать ему вслух его любимые отрывки из “Уолдена” Генри Торо, вместе послушать Моцарта, обсудить, как действуют различные обезболивающие и что происходит с нами после смерти. Это были крайне напряженные дни и ночи.

Папа всегда интересовался моими исследованиями и во время каждой встречи расспрашивал меня, что нового в лаборатории. Однажды я показала ему рисунок молекулы рибозима, сделанный зелеными чернилами. “Похоже на зеленые фетучини!” – сказал он. Через три недели его не стало.

Потрясенная смертью отца и желая отвлечься, я с головой окунулась в работу, утешаясь мыслью, что однажды наша работа спасет или хотя бы улучшит жизни людей. Рибозимный проект, как и многие другие научные исследования, двигали два желания: пролить свет на неизведанные явления природы и использовать полученные знания на практике. В то время, когда я решила установить молекулярную структуру рибозимов, многие биологи думали, что молекулы этого типа лягут в основу альтернативного способа лечения ряда заболеваний. Основанный на рибозимах метод терапии, каким его представляли тогда, отличался и от генной терапии (которая была нацелена на исправление генетических проблем путем добавления здоровых генов), и от редактирования генома (направленного на “починку” самих дефектных генов) тем, что позволял врачам лечить пациентов, “ремонтируя” бракованные молекулы РНК – переносчики сигналов, используемых клетками для перевода информации с ДНК в белки.

Окрыленная успехом нашего исследования рибозимов, я высказала в телевизионном эфире идею, что эти молекулы однажды станут инструментами для редактирования ДНК. В конце концов, уже в то время имелось несколько свидетельств тому, что некоторые рибозимы способны запускать химические изменения в ДНК. Пересматривая эти кадры спустя столько лет, я видела себя двадцатилетней давности, объясняющую, зачем вообще нужен рибозимный проект:

Одна из потенциальных возможностей заключается в том, что мы сможем избавлять людей от генетических нарушений или облегчать состояние пациентов с такими нарушениями… Мы надеемся, что [это открытие] подскажет нам, каким образом мы можем модифицировать рибозимы для того, чтобы они работали в качестве ремонтных наборов для молекул и исправляли дефектные гены.

В конце концов эта идея так и не воплотилась в жизнь – по крайней мере, к настоящему моменту. Хотя несколько вариантов терапии, основанной на рибозимах, в конце концов дошли до стадии клинических испытаний, эффективность в лечении генетических заболеваний не была доказана ни для одного из них. Однако это интервью из далекого прошлого резко вернуло меня к настоящему – оно было неожиданным образом связано с моим текущим исследованием.

Что привлекло мое наибольшее внимание в этих старых кадрах, так это слова, которые я выбирала для интервью: они отразили неожиданный поворот в направлении моей научной работы. Когда я описывала наше исследование рибозимов с точки зрения его потенциального применения для исправления генов, у меня и мысли не было о том, что почти двадцать лет спустя редактирование генома будет определять ход моей карьеры.

Примерно через пятнадцать лет после того, как эти телесюжеты вышли в эфир, я погрузилась в область исследований, потенциальная терапевтическая польза от которых была гораздо, гораздо больше, чем я могла себе представить в 1996-м, едва только став самостоятельным исследователем. Это произошло в момент, когда я изучала другую биологическую систему – иммунную систему бактерий, где РНК играла главную роль. Но в отличие от рибозимного проекта, который был посвящен теме, уже оказавшейся в центре внимания из-за Нобелевской премии, которой наградили открывателя рибозимов, это научное путешествие начиналось в полной безвестности: его затеяли чуть ли не ради забавы, и проект продвигался благодаря почти невероятным (но оказавшимся крайне полезными) встречам и столь же случайным, но плодотворным научным коллаборациям. Теперь, сидя в окружении своей семьи и коллег и глядя на экран, на котором блистала молодая версия меня самой, я удивлялась и радовалась тому, как наглядно идея, лежащая в основе моей работы, – исправление дефектных генов – пронизывает насквозь всю мою карьеру.

Я никогда не забуду, как впервые услышала термин CRISPR.

Однажды в 2006 году, когда я сидела у себя в кабинете на седьмом этаже Стэнли-холла в Калифорнийском университете в Беркли, зазвонил телефон. На проводе была Джиллиан Бэнфилд, коллега-профессор с кафедры наук о Земле и планетологии, а также с кафедры наук об окружающей среде, экологической политики и природопользования.

Я знала о Джилл только понаслышке, и она обо мне тоже; она объяснила, что нашла сайт моей лаборатории, только потратив некоторое время на его поиск в Google. Геомикробиолог, сосредоточенный в первую очередь на взаимоотношениях микроорганизмов с их окружающей средой, Джилл искала среди сотрудников Беркли исследователей, которые бы занимались РНК-интерференцией – системой процессов на молекулярном уровне, которую клетки животных и растений используют для подавления экспрессии конкретных генов; на уровне целого организма эта система задействуется во время иммунных ответов. По этой теме у нашей лаборатории имелся обширный опыт.

Джилл рассказала мне, что ее лаборатория занимается изучением чего-то, что я на слух восприняла как “криспер”[43]43
  Crisper – выдвижной контейнер в холодильнике для хранения фруктов и овощей.


[Закрыть], – она не объяснила, о чем речь, и даже не произнесла слово по буквам, лишь упомянула, что это название “всплыло” в каких-то наборах данных, которые анализировали ее сотрудники, – и что она хочет расширить область исследования, используя методы генетики и биохимии: именно такие инструменты могла бы предоставить моя лаборатория. В частности, Джилл считала, что между “криспером” и РНК-интерференцией могут быть некоторые параллели. Не хочу ли я встретиться и обсудить это?

Я была заинтригована напором Джилл, хотя и сомневалась насчет ее запроса; я так и не поняла, что именно она исследует. Но ее энтузиазм чувствовался даже по телефону, так что я согласилась выпить с ней чашечку кофе на следующей неделе.

После этого звонка я сделала беглый поиск по базам научных публикаций и нашла лишь несколько статей, посвященных теме, о которой с таким воодушевлением рассказывала Джилл. Для сравнения: РНК-интерференция, изучение которой началось всего-то восемь лет, упоминалась в тот момент уже более чем в четырех тысячах источников (внимание к этой теме достигло апогея, когда позднее в том же году открыватели РНК-интерференции Эндрю Файер и Крейг Мелло получили Нобелевскую премию). Из-за нехватки публикаций было трудно оценить важность темы, о которой говорила Джилл, – но именно это подстегнуло мое любопытство.

Я пробежалась глазами по нескольким обзорным статьям и прочла ровно столько, чтобы понять: эта штука – CRISPR – обозначает участок бактериальной ДНК, а сокращение расшифровывается как “кластерные короткие палиндромные повторы, разделенные регулярными промежутками, clustered regularly interspaced short palindromic repeats”. Дальше я разбираться не стала, увязнув в незнакомых терминах, и решила, что Джилл расскажет мне подробности при встрече.

Поиск информации о Джиллиан в Google показал, что она чрезвычайно успешный ученый. Яркая, предложившая неожиданные идеи во множестве самых разных областей науки, она опубликовала статьи с такими заголовками, как “Минералогические следы живого и поиск жизни на Марсе” (Mineralogical Biosignatures and the Search for Life on Mars) и “Геофизическая визуализация стимулированной микробной биоминерализации” (Geophysical Imaging of Stimulated Microbial Biomineralization). Ее исследования включали в себя сбор и изучение биологических образцов, собранных со всего света: от горных пород, слагающих земную кору под Японией, до гиперсоленых озер Австралии и закисленных водоотливов в Северной Калифорнии. Эти экзотические работы разительно контрастировали с моими: если не считать неизбежно частых визитов в Национальную лабораторию имени Лоуренса в Беркли для исследований на циклотроне, эксперименты в моей лаборатории проводились по большей части в пробирках.

Частично из-за того, что меня так впечатлили исследованияя Джилл, частично из моих собственных научных интересов я все больше хотела с ней встретиться. За четыре года до этого я перешла из Йельского университета в Беркли и переехала в Калифорнию вместе с Джейми Кейтом, который теперь стал моим мужем, и нашим новорожденным сыном Эндрю. Хотя мои текущие исследования уже развивались в некоторых новых направлениях, я надеялась расширить лабораторию и запустить в ней несколько дополнительных проектов, одновременно наладив рабочие связи с новыми коллегами. Возможно, сотрудничество с Джилл – это именно то, чего я ищу.

Мы с Джилл встретились на следующей неделе в кафе Free Speech Movement недалеко от входа в одну из студенческих библиотек кампуса. Был ветреный весенний день, и, когда я пришла в кафе, Джилл уже расположилась во внутреннем дворике, за одним из мраморных столиков. На столе лежали блокнот и стопка бумаги. Мы немного поболтали, а затем Джилл открыла блокнот и перешла к делу.

Она быстро набросала схему CRISPR. Сначала изобразила большой овал, он обозначал бактериальную клетку. Затем внутри овала нарисовала круг – бактериальную хромосому, а на одной из его сторон – чередующиеся квадратики и ромбики, символизирующие конкретный участок ДНК. Этот участок, очевидно, и представлял собой CRISPR.

Джилл заштриховала ромбики и объяснила, что все они представляют собой одинаковые последовательности примерно из тридцати “букв” ДНК. Затем она последовательно пронумеровала квадратики, начиная с цифры 1, и сказала, что каждый из них включает в себя уникальную последовательность ДНК.

Наконец я начала понимать слова, скрывавшиеся за аббревиатурой CRISPR: кластерные короткие палиндромные повторы, разделенные регулярными промежутками. Ромбики были короткими повторами, а квадратики – регулярными промежутками, которые их разделяли, и эти последовательности ромбиков и квадратиков были сгруппированы в кластеры на одном участке хромосомы, а не разбросаны по ней. Уже потом, когда я более детально ознакомилась с повторяющимися последовательностями ДНК в своем рабочем кабинете, значение буквы “P” в аббревиатуре тоже стало мне понятным: последовательности при чтении их в противоположных направлениях “звучали” практически одинаково – словно палиндром вроде “нажал кабан на баклажан”[44]44
  В оригинале – senile felines.


[Закрыть].

Сама идея, что клетки могут нести в себе повторяющиеся последовательности ДНК, не нова: более 50 процентов генома человека – существенно больше миллиарда “букв” ДНК – это различные типы повторяющихся последовательностей, и некоторые из них представлены миллионами копий. Хотя геномы бактерий сравнительно небольшие, они тоже содержат повторяющиеся последовательности. Я знала о нескольких типах, в названии которых даже присутствовали некоторые слова из расшифровки CRISPR: повторяющиеся экстрагенные палиндромы (REP) и бактериальная, рассеянная по геному, повторяющаяся ДНК (BIME). Но я никогда раньше не слышала о последовательностях ДНК, повторяющихся так точно и настолько унифицированных, чтобы все повторы действительно совпадали друг с другом и всегда были отделены от соседей последовательностями-спейсерами близкой длины, но со случайным набором нуклеотидов.

Желая узнать больше об этих странных участках бактериальной ДНК, я спросила Джилл, каковы их биологические функции, но, к моему разочарованию, Джилл ответила, что ничего об этом не знает. Однако в ее лаборатории обнаружили важную зацепку[45]45
  G. W. Tyson and J. F. Banfield, “Rapidly Evolving CRISPRs Implicated in Acquired Resistance of Microorganisms to Viruses”, Environmental Microbiology 10 (2008): 200–207.


[Закрыть]. Последовательности ДНК бактерий природных популяций показали, что буквально каждая клетка в них содержит уникальный вариант CRISPR, поскольку разделяющие регулярные повторы промежутки у каждой клетки отличаются. Это было совершенно необычно, поскольку все остальные участки ДНК у этих клеток практически совпадали. Джилл поняла, что CRISPR, скорее всего, эволюционируют быстрее всех остальных областей генома, а это указывает на то, что их функция – быстро меняться или адаптироваться в ответ на некий вызов из внешней среды, с которым сталкиваются клетки.

CRISPR внутри бактериальной клетки

Годами ранее испанский профессор Франсиско Мохика в своей новаторской работе[46]46
  F. J. Mojica et al., “Biological Significance of a Family of Regularly Spaced Repeats in the Genomes of Archaea, Bacteria and Mitochondria”, Molecular Microbiology 36 (2000): 244–246.


[Закрыть] обнаружил те же повторы у множества совершенно не родственных друг другу видов, включая архей – одноклеточных организмов, которые, как и бактерии, не имеют ядер. (Бактерии, археи – их собирательное название “прокариоты” – и эукариоты представляют собой три домена, включающих все формы жизни на Земле.) CRISPR, по словам Джилл, обнаружили в половине бактериальных геномов, секвенированных на тот момент, и почти во всех геномах архей. Выходило, что кластерные палиндромы – наиболее распространенный тип повторяющихся последовательностей ДНК у всех прокариот.

Эти факты заставили меня буквально задрожать от любопытства: если CRISPR присутствует у такого большого количества видов, то с высокой вероятностью природа использует этот инструмент для чего-то важного.

Я внимательно слушала, а тем временем Джилл вытащила из стопки бумаг три статьи, все 2005 года[47]47
  F. J. Mojica et al., “Intervening Sequences of Regularly Spaced Prokaryotic Repeats Derive from Foreign Genetic Elements”, Journal of Molecular Evolution 60 (2005): 174–182; C. Pourcel, G. Salvignol, and G. Vergnaud, “CRISPR Elements in Yersinia pestis Acquire New Repeats by Preferential Uptake of Bacteriophage DNA, and Provide Additional Tools for Evolutionary Studies”, Microbiology 151 (2005): 653–663; A. Bolotin et al., “Clustered Regularly Interspaced Short Palindrome Repeats (CRISPRs) Have Spacers of Extrachromosomal Origin”, Microbiology 151 (2005): 251–261.


[Закрыть], и оживленно пересказала их суть. Три коллектива исследователей (один из них – под руководством Мохики) независимо друг от друга обнаружили, что многие спейсеры CRISPR – те фрагменты ДНК, что встроены между повторяющимися последовательностями, – точно совпадают с ДНК известных бактериофагов. Что еще интереснее, возникало ощущение, что между числом последовательностей ДНК в бактериальной CRISPR, совпадающей с вирусной ДНК, и числом вирусов, способных поразить эту бактерию, существует обратная зависимость: чем больше совпадений, тем ниже вероятность инфицирования. Собственное новаторское исследование Джилл[48]48
  A. F. Andersson and J. F. Banfield, “Virus Population Dynamics and Acquired Virus Resistance in Natural Microbial Communities”, Science 320 (2008): 1047–1050.


[Закрыть], в котором геномы целых микробных сообществ были восстановлены секвенированием небольших, перекрывающих друг друга фрагментов ДНК и их сборкой в одну более длинную последовательность, также показало, что многие разделенные регулярными промежутками последовательности на содержащем CRISPR участке хромосомы соответствовали последовательностям вирусной ДНК, обнаруженным в окружающей бактериальные сообщества среде.

В совокупности эти новые сведения стали отличной подсказкой для ответа на вопрос, какую роль CRISPR играет у бактерий и архей. Авторы упомянутых статей обнаружили свидетельство в пользу того, что CRISPR, вероятно, является частью иммунной системы прокариот – адаптацией, позволяющей микроорганизмам успешно справляться с вирусами.

Напоследок, в качестве последнего козыря, Джилл выложила на стол самую новую статью о CRISPR. Опубликованная коллективом исследователей из Национальных институтов здравоохранения под руководством Киры Макаровой и Евгения Кунина[49]49
  K. S. Makarova et al., “A Putative RNA-Interference-Based Immune System in Prokaryotes: Computational Analysis of the Predicted Enzymatic Machinery, Functional Analogies with Eukaryotic RNAi, and Hypothetical Mechanisms of Action”, Biology Direct 1 (2006): 7.


[Закрыть], она называлась “Гипотетическая иммунная система прокариот, основанная на РНК-интерференции” (A Putative RNA-Interference-Based Immune System in Prokaryotes). Этот заголовок моментально привлек мое внимание. Хотя в этой статье, как и в трех предыдущих, явно недоставало убедительных экспериментальных данных, ее авторы проделали значительную работу, собрав всю доступную информацию о CRISPR. Сопоставив результаты множества более ранних исследований с экспертной оценкой распространения CRISPR у различных видов, они собрали из этих кусочков заманчивую новую гипотезу о том, что РНК служит ключевой составляющей иммунной системы одноклеточных организмов, таких как бактерии, и что эта система может быть функционально сходной с одним из объектов моих исследований, РНК-интерференцией.

Джилл не смогла бы найти лучшей приманки, чтобы завлечь меня в свои исследования. Не только вся моя научная деятельность до того момента была посвящена изучению молекул РНК, но я еще все больше концентрировалась на процессах РНК-интерференции в человеческих клетках. А тут еще Макарова и Кунин предполагали, что CRISPR представляет собой бактериальный аналог РНК-интерференции. Если это было верно, то моя лаборатория отлично подходит для того, чтобы разобраться с этим новым загадочным биологическим явлением. А перспективы были более чем соблазнительными, поскольку никто еще не провел экспериментов для подтверждения или опровержения теорий о биологическом смысле CRISPR – все только и делали, что плодили эти теории. Для биохимиков, таких как я, это был идеальный момент, чтобы ввязаться в борьбу за понимание того, как работает и для чего нужен CRISPR.

В завершение встречи с Джилл я поблагодарила ее и пообещала быть на связи. Мне нужно было переварить всю новую информацию и просчитать плюсы и минусы добавления исследований CRISPR к текущим проектам моей лаборатории. Если я соглашаюсь заниматься этой темой, мне понадобится ученый, постоянно занятый координацией работы по ней, так как у меня самой не хватило бы времени возглавить новый проект: я была слишком занята руководством лабораторией в целом.

Мне также нужно было освежить свои знания о мире бактерий и о вирусах, которые поражают эти бактерии. Я опубликовала немало научных статей о вирусе гепатита С, я изучала вирус гриппа с новым постдоком в собственной лаборатории, и я знала, что механизм РНК-интерференции тесно связан с противовирусной защитой растений и животных. Но я никогда не изучала вирусы бактерий и даже не особенно задумывалась о них. Если я собираюсь присоединиться к исследованиям Джилл, это положение дел нужно было менять.

Фредерик Туорт, британский бактериолог, работавший в начале XX века, стал первым ученым, отметившим действие бактериальных вирусов. По иронии судьбы, изначально Туорт собирался исследовать не вирусы бактерий, а вирусы, поражающие животных и растения, – а они были открыты уже давно. Однако в ходе попыток извлечь вирусы из таких субстратов, как навоз и сено, а затем культивировать их, Туорт обнаружил странную колонию бактерий из рода Micrococcus. Складывалось ощущение, что бактерии больны; вместо того чтобы, как большинство других бактерий, плотными колониями расти на питательной среде в чашках Петри, их культуры выглядели водянистыми и прозрачными. Если Туорт брал мазок с водянистой колонии микрококков и переносил его на здоровую, последняя через какое-то время тоже приобретала стеклянистый вид, словно ее чем-то заразили. Туорт написал статью, в которой предположил, что инфекционный агент в данном случае имеет вирусную природу, но идея о том, что вирусы способны заражать бактерии, в то время казалась неслыханной, а у перемен, произошедших с культурами, могли быть и другие объяснения. Ученый не мог с полной уверенностью говорить, что конкретно поразило здоровые культуры.