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

Дядька императора Дядька императора

В Российской империи воспитание царских отпрысков было делом политическим

Дилетант
Никаких шлепок и свадебных платьев: какой дресс-код советуют соблюдать музеи и театры Никаких шлепок и свадебных платьев: какой дресс-код советуют соблюдать музеи и театры

Какие рекомендации по выбору одежды мировые театры и музеи дают посетителям

Forbes
6 признаков глупого человека 6 признаков глупого человека

Как понять, кого нужно избегать? Да и нужно ли на самом деле?

Psychologies
Маме не говори: 12 вещей, которые родителям не нужно знать о твоем мужчине Маме не говори: 12 вещей, которые родителям не нужно знать о твоем мужчине

О чем не стоит рассказывать даже маме?

VOICE
Открытие, получившее признание через век Открытие, получившее признание через век

Владимир Буткевич первым задался проблемой соотношения бактерий

Наука и жизнь
Как стресс влияет на кожу и как с этим бороться Как стресс влияет на кожу и как с этим бороться

Чем опасна повышенная тревожность для нашего внешнего вида

Правила жизни
Живые клетки — химики Живые клетки — химики

Природные аналоги широко известных искусственных соединений

Наука и жизнь
В именьи близ столицы В именьи близ столицы

Почему крестьяне из Мурина получили свободу раньше?

Санкт-Петербургский университет
Иллюзия успеха Иллюзия успеха

Четыре истории о талантливых мастерах пускать пыль в глаза

Популярная механика
Показать то, что за кадром: как создаются экскурсии по действующему кинопарку Показать то, что за кадром: как создаются экскурсии по действующему кинопарку

Как организовать экскурсии по кинопарку, не мешая при этом съемочному процессу

Inc.
Микроскопические свидетельства глобальных катастроф Микроскопические свидетельства глобальных катастроф

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

Наука и жизнь
Непотопляемый Непотопляемый

Амфибии Amphicar, выпущенные более 60 лет назад, до сих пор в строю

ТехИнсайдер
Твой персональный код Твой персональный код

Какими бывают тесты ДНК

Популярная механика
Параллельщики. Carwin — о главных ошибках при поиске машины за рубежом Параллельщики. Carwin — о главных ошибках при поиске машины за рубежом

Как отличить реального поставщика от хорошо замаскированного обманщика

РБК
Первичный фосфор для первичной жизни Первичный фосфор для первичной жизни

Aосфор — один из важнейших химических элементов, из которых строятся организмы

Наука и жизнь
Тропические болота нивелировали успехи арктических в поглощении углерода Тропические болота нивелировали успехи арктических в поглощении углерода

Почему снижается продуктивность болот, поглощающих углерод

N+1
Иммунные «электрики» мозга Иммунные «электрики» мозга

Чем нейроны похожи на электрические провода

Наука и жизнь
Переходи на зеленый Переходи на зеленый

Мода на экосексуальность и привычки, полезные для тебя и для природы

Лиза
Кремний с нанопорами — материал с неисчерпаемыми возможностями Кремний с нанопорами — материал с неисчерпаемыми возможностями

Нанопористый кремний — перспективный материал для микроэлектроники и биомедицины

Наука и жизнь
«Важно запасть в душу потребителю» «Важно запасть в душу потребителю»

Как государство поддерживает экспортеров

Эксперт
Работа с мотивацией Работа с мотивацией

Может ли ПДМ стать эффективным механизмом повышения капитализации госкомпаний?

Ведомости
Школа для элиты: как выпускник Оксфорда зарабатывает на обучении детей миллионеров Школа для элиты: как выпускник Оксфорда зарабатывает на обучении детей миллионеров

Основатель EdEra School: 360 млн выручки на образовании для состоятельных

Forbes
Читалка для компьютера: выбираем лучшую из бесплатных Читалка для компьютера: выбираем лучшую из бесплатных

Лучшие читалки для компьютера из бесплатных программ

CHIP
На Восток через Северо-Запад На Восток через Северо-Запад

Почему растет транзит белорусских минеральных удобрений через Россию

Ведомости
Мухи распространили украденные у муравьев семена мирмекохорных растений Мухи распространили украденные у муравьев семена мирмекохорных растений

Как двукрылые насекомые распространяют семена

N+1
Наталья Павленкова: «Может, я артистка не самая лучшая, но так, как я, не сыграет никто» Наталья Павленкова: «Может, я артистка не самая лучшая, но так, как я, не сыграет никто»

Чтобы не отсвечивали рядом, лучше буду один в темном царстве? Не-е-ет!

Коллекция. Караван историй
Блогер рассказал, как надо правильно вести себя в Японии, и развеял стереотип о запретах на открытую одежду в общественных местах Блогер рассказал, как надо правильно вести себя в Японии, и развеял стереотип о запретах на открытую одежду в общественных местах

Правила поведения в японском обществе, которые помогут путешественникам

Maxim
В сети жалуются на укачивание в электромобилях: вот почему это происходит даже с теми, кто не страдает кинетозом В сети жалуются на укачивание в электромобилях: вот почему это происходит даже с теми, кто не страдает кинетозом

Почему в электромобилях укачивает даже людей с развитым вестибулярным аппаратом?

ТехИнсайдер
Известный по единственному крылу вид козодоев оказался гибридом Известный по единственному крылу вид козодоев оказался гибридом

Как ученые раскрыли одну из главных орнитологических загадок спустя 35 лет

N+1
Громких разводов не будет Громких разводов не будет

Супруги-совладельцы все чаще прибегают к медиации

Монокль
Открыть в приложении