Кому и за что присудили Нобелевскую премию по химии 2020 года?

Наука и жизньНаука

Редактор для генома

Кирилл Стасевич

Эммануэль Шарпантье

Нобелевскую премию по химии 2020 года присудили «за разработку метода редактирования генома». Лауреатами стали Эммануэль Шарпантье из Института инфекционной биологии Общества Макса Планка (Берлин, Германия) и Дженнифер Даудна из Калифорнийского университета (Беркли, США). Метод (или систему) редактирования генома CRISPR-Cas9 специалисты называют методом молекулярных ножниц. Так что это такое?

Любой геном можно сравнить с текстом. Или с книгой — так даже нагляднее: есть книги потолще, есть книги потоньше, есть сложные, есть простые. В книге буквы соединены в слова. Азотистые основания, из которых состоит ДНК, называют генетическими буквами — это аденин (А), тимин (Т), гуанин (G) и цитозин (C). И они тоже складываются в «слова» — соединяясь по три, азотистые основания кодируют аминокислоты. А «слова»-тройки складываются в предложение — последовательность большой белковой молекулы, состоящей из множества аминокислот.

Как и в любом тексте, в геноме тоже случаются ошибки, которые называют мутациями. Большинство мутаций ни на что не влияют. Случаются мутации, которые приносят пользу. И есть мутации, которые вредны. Если ошибки-«мутации» происходят в обычном тексте, их исправят корректоры и редакторы. У живых клеток тоже есть свои корректоры и редакторы, исправляющие погрешности в ДНК — специальные ферменты, входящие в так называемые системы репарации (за расшифровку механизмов ДНК-репарирующих систем в 2015 году дали Нобелевскую премию по химии). Но они не всегда исправляют то, что нужно исправить. Может, стоило бы сконструировать какой-нибудь молекулярный редактор, который мы запускали бы в клетку, и он исправлял бы в ней нежелательные мутации?

Метод CRISPR-Cas9 — как раз один из таких редакторов. В последние годы о нём говорят и пишут чрезвычайно много. 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 по-настоящему совершенный метод редактирования генома должен быть точным, универсальным и удобным. Точный метод будет вносить правки только туда, куда нужно, без непредсказуемой самодеятельности. Универсальность означает, что можно 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.

Однако оценить в полной мере его революционность неспециалисту мешает то, что за CRISPR-Cas9 стоит чрезвычайно непростая наука. Для начала, как расшифровывается CRISPR? Это Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats — короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами. А Cas9 — это CRISPR-ассоциированный (CRISPR-associated) белок 9. Что это за повторы, где эти группы и почему с ними ассоциированы какие-то белки?

Дженнифер Даудна

Бактерии против вирусов

Биологи не с нуля придумали CRISPR-Cas9, а подсмотрели её у бактерий и архей. У них CRISPR-Cas9 работает как система противовирусной защиты. В конце 80-х годов XX века в ДНК кишечной палочки и других микробов открыли странные структуры: группы из палиндромных участков, между которыми находились какие-то другие генетические последовательности. Палиндромами называют последовательности нуклеотидов, которые одинаково читаются от конца к началу и от начала к концу, например, как слово «топот». Открытые группы палиндромных последовательностей назвали CRISPR. Но самое интересное было в том, что находилось между палиндромами — а между ними находились фрагменты вирусных последовательностей.

Когда бактериальный вирус (или бактериофаг) нападает на бактерию, он впрыскивает в неё свою нуклеиновую кислоту и начинает размножаться. Бактерия может погибнуть, а может выжить и избавиться от вируса. Выжившие бактерии встраивают фрагменты вирусной ДНК* в свой геном, в участки CRISPR. То есть, образно говоря, CRISPR — это картотека, хранящая информацию о вирусных атаках. Если в клетке снова окажется чужая ДНК, бактерия сравнит её с картотекой CRISPR и, если найдёт совпадение, быстро уничтожит, не дав вирусу ни шанса. Хотя фрагменты вирусных последовательностей в CRISPR довольно короткие, их вполне хватает, чтобы узнать вирус. Так мы, открыв книгу без обложки, быстро поймём, с чем имеем дело, если увидим в каком-нибудь предложении имя Анны Карениной.

*Для простоты будем говорить о ДНК, хотя среди бактериофагов есть и такие, которые хранят свои гены в РНК.

Разумеется, здесь не обойтись без белков. CRISPR-последовательность в ДНК сначала копируется в одну большую РНК, потом эта РНК разрезается на кусочки. Эти кусочки должны прочно связаться с чужой ДНК, то есть между их нуклеотидами должны образоваться комплементарные водородные связи. Если какие-то нуклеотиды провзаимодействовали, а какие-то нет — значит, перед нами никакой не вирус. Но если кусок РНК, синтезированный на картотеке CRISPR, и чужая ДНК сцепились друг с другом, как родные, эту нуклеиновую кислоту надо резать.

Все эти процедуры выполняют белки Cas. Сейчас их в сумме насчитывается уже девяносто три, их гены хранятся в бактериальной хромосоме рядом с CRISPR-картотекой (откуда и аббревиатура Cas — «CRISPR-ассоциированные»). Не все девяносто три белка работают вместе во всех бактериях и археях. Систем CRISPR-Cas есть более двадцати разновидностей, которые отличаются и набором белков, и некоторыми особенностями работы. (В дальнейшем мы будем говорить о системе CRISPR-Cas9, в которой работает белок Cas9.) Но в целом все они заняты одним и тем же: пополнением картотеки CRISPR, поиском потенциально опасных ДНК в клетке, истреблением вирусов и пр. Часто картотеку CRISPR и обслуживающие её белки Cas называют бактериальным иммунитетом. Конечно, иммунная система животных работает совсем иначе, однако у них есть и кое-что общее: и наш иммунитет, и система CRISPRCas узнают и уничтожают опасного чужака по памяти о прошлых инфекциях. У нас память о прошлых инфекциях хранят специальные иммунные клетки, у бактерий — специальный участок в бактериальной хромосоме.

Молекулярные хитрости «бактериального иммунитета»

Хотя впервые на последовательности CRISPR обратили внимание ещё в конце 1980-х, окончательно подтвердить гипотезу о «бактериальном иммунитете» удалось только к 2007 году, а потом ещё несколько лет ушло на то, чтобы расшифровать молекулярный механизм. Чтобы подойти к исследованиям нынешних лауреатов, надо чуть дальше зайти в «дебри» молекулярной биологии. Как сказано выше, CRISPR-участок ДНК со всеми вирусными последовательностями копируется в длинную РНК. Но в таком длинном виде эта РНК работать не может — её нужно нарезать на небольшие фрагменты. Каждый фрагмент несёт в себе образец какого-то одного вируса, и с ним теперь удобно работать Cas-белкам. Длинная РНК, синтезируемая на ДНК с CRISPR, называется pre-crRNA, что означает предшественник CRISPR-RNA. Она должна созреть, то есть разделиться на маленькие кусочки, на множество crRNA, или CRISPR-RNA.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Конец эпохи Аресибо Конец эпохи Аресибо

Cамый известный в мире радиотелескоп разрушился

Наука и жизнь
Буль-буль Буль-буль

Фантастический рассказ Владислава Кулигина «Буль-буль»

Знание – сила
«Судебник Владимира Гусева» и держава Ивана III «Судебник Владимира Гусева» и держава Ивана III

История судебника Ивана III

Наука и жизнь
Кнут Гамсун Кнут Гамсун

Кнут Гамсун говорил от имени нации и тем сильно её скомпрометировал

Дилетант
«Мне не в чем оправдываться» «Мне не в чем оправдываться»

26 декабря 2020 года в возрасте 98 лет ушёл из жизни Джордж Блейк

Дилетант
10 неожиданных вопросов Кате Гусевой 10 неожиданных вопросов Кате Гусевой

Расспросили королеву ремиксов Катю Гусеву о вере в приметы и любви к собакам

VOICE
11 способов становиться немного умнее каждый день 11 способов становиться немного умнее каждый день

Интеллект, как и тело, требует правильного питания и регулярных тренировок

Psychologies
15 уроков периода высоких ставок глазами банкира 15 уроков периода высоких ставок глазами банкира

Что мы поняли за годы высоких ставок?

Ведомости
Микроскопические свидетельства глобальных катастроф Микроскопические свидетельства глобальных катастроф

Кандидат физико-математических наук о том, как метеориты влияют на нашу судьбу

Наука и жизнь
Дейнотерий – слон с берегов Дона Дейнотерий – слон с берегов Дона

Слоны – одни из самых стабильных в эволюционном плане животных...

Наука и техника
Живые клетки — химики Живые клетки — химики

Природные аналоги широко известных искусственных соединений

Наука и жизнь
Опять и опять «Назад в будущее» Опять и опять «Назад в будущее»

Краткая история ленты «Назад в будущее», вырастившей последнее поколение XX века

Weekend
«Держать город Кронштадт под обстрелом и день, и ночь» «Держать город Кронштадт под обстрелом и день, и ночь»

100 лет назад был подавлен крупнейший очаг сопротивления монополии на власть

Дилетант
Александр Лабас: не авангардист, не соцреалист Александр Лабас: не авангардист, не соцреалист

Голос А. Лабаса — сложный, полифоничный, подчас ускользающий от прямых смыслов

Монокль
Подвиг маркетолога Подвиг маркетолога

Мы собрали успешные истории бизнес-хакеров, которые нашли обходные пути

Maxim
Через санкции к росту Через санкции к росту

Как российская экономика ищет способы сотрудничества с глобальными игроками

Эксперт
Плащ «казак» мушкетёров короля Плащ «казак» мушкетёров короля

Одежда, по которой мы узнаём королевских мушкетёров в фильмах

Дилетант
Вот оно какое, наше лето Вот оно какое, наше лето

Чем занять ребенка на даче: советы для детей любого возраста

Лиза
Африканский след в истории обуви Африканский след в истории обуви

Сколько лет обуви?

Наука и жизнь
Нестор Энгельке Нестор Энгельке

Нестор Энгельке внес топоропись в энциклопедию современного искусства

Собака.ru
Пустые кресла и забытые письма: одиночество как экспонат Пустые кресла и забытые письма: одиночество как экспонат

Мы приезжаем в музей смотреть не на экспонаты, а внутрь себя

Знание – сила
О пользе «бумажной волокиты» О пользе «бумажной волокиты»

На каком языке говорили евреи, вернувшиеся из вавилонского пленения?

Знание – сила
Весна императора Весна императора

Цезарь — политик-хищник, с чьим именем неотрывно связана Римская империя

Знание – сила
Вяземские Вяземские

Происходивший от Рюрика княжеский род Вяземских известен ещё со Средневековья

Дилетант
Архив богини Фауны Архив богини Фауны

Зоологический музей Московского университета – «отражение самой природы»

Знание – сила
Тюрьма народов Тюрьма народов

Как побег из Алькатраса лишь укрепил имидж легендарной тюрьмы

Дилетант
Передвижники и императорская власть Передвижники и императорская власть

Как передвижники получили признание императора Александра III

Знание – сила
Сделать посетителя немного исследователем Сделать посетителя немного исследователем

Что отличает современные музеи? Открытость и исследовательский подход

Знание – сила
Из портов на биржу Из портов на биржу

Угольщики стремятся расширить сбыт на внутреннем рынке на фоне падения экспорта

Ведомости
Скелетные мышцы самолета – система управления Скелетные мышцы самолета – система управления

Зачем самолетам демпферы, гидроусилители, закрылки и предкрылки?

Наука и техника
Открыть в приложении