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

О чём умолчали классики О чём умолчали классики

Давайте рассмотрим произведения русских писателей с точки зрения математики

Наука и жизнь
В Португалии нашли выгравированные в эпоху верхнего палеолита фигуры животных В Португалии нашли выгравированные в эпоху верхнего палеолита фигуры животных

Археологи обнаружили в Португалии новые произведения палеолитического искусства

N+1
Новое чувство астрофизики Новое чувство астрофизики

Миссия LISA станет самым большим научным инструментом в истории человечества

Популярная механика
«Двойка» за хорошее поведение «Двойка» за хорошее поведение

BMW M2 Gran Coupe: баварское купе, которое на самом деле седан

Автопилот
Геометрия в стиле да Винчи Геометрия в стиле да Винчи

Преобразование фигур стало главной темой математических исследований да Винчи

Наука и жизнь
Новое открытие в нейробиологии: ученые разобрались, как на самом деле работает память Новое открытие в нейробиологии: ученые разобрались, как на самом деле работает память

Какой процесс играет ключевую роль в том, как хранятся воспоминания?

Inc.
Иллюзия успеха Иллюзия успеха

Четыре истории о талантливых мастерах пускать пыль в глаза

Популярная механика
Эрдоган зажат между интересами США и Британии Эрдоган зажат между интересами США и Британии

Политический кризис в Турции может серьезно встряхнуть государство и регион

Монокль
Микроскопические свидетельства глобальных катастроф Микроскопические свидетельства глобальных катастроф

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

Наука и жизнь
Мертвые дети, неравенство и травмы Мертвые дети, неравенство и травмы

Настоящий мир вымышленного Питера Пэна

Weekend
Живые клетки — химики Живые клетки — химики

Природные аналоги широко известных искусственных соединений

Наука и жизнь
Патриотизм «подлинный» и «показной» Патриотизм «подлинный» и «показной»

Некогда мы гордились тем, что считали себя самой читающей страной

Дилетант
На всех парах На всех парах

О создании первой самоходной машины на паровом двигателе

Наука и жизнь
Весна в облигациях Весна в облигациях

Бизнес не намерен снижать программы по капитальным инвестициям

Ведомости
Месть внука Месть внука

Сын казнённого царевича Алексея едва не пустил прахом все начинания деда

Дилетант
«Я женюсь на Гале каждый момент, когда на нее смотрю» «Я женюсь на Гале каждый момент, когда на нее смотрю»

Галина Вишневская и Мстислав Ростропович. Две выдающиеся личности

OK!
Семь секретов стратегии Continuous Listening Семь секретов стратегии Continuous Listening

Как создать сильную команду, которая сама будет притягивать сильных сотрудников

Forbes
Главными проблемами малого и среднего бизнеса стали дефицит кадров и инфляция Главными проблемами малого и среднего бизнеса стали дефицит кадров и инфляция

Доля предпринимателей, не сталкивающихся с трудностями, в 2025 году упала до 14%

Forbes
Опрично-земские порядки в российской истории Опрично-земские порядки в российской истории

В чем причины и содержание очередного поражения русской демократии

Дилетант
Очень странные дела Очень странные дела

Какие бьюти-тренды из соцсетей искренне настораживают косметологов

Лиза
Каким мог стать Ту-204: как советские конструкторы искали идеальный авиалайнер Каким мог стать Ту-204: как советские конструкторы искали идеальный авиалайнер

За 15 лет видение о том, каким должен быть Ту-204, несколько раз менялось

ТехИнсайдер
Всем — компартменты Всем — компартменты

Понятие зоосанитарного статуса будет введено для каждого вида сельхозживотных

Агроинвестор
Книги Книги

Лучшие современные иностранные романы: выбор Яны Вагнер

Правила жизни
Больше президенток и законов о насилии: 10 важных достижений феминисток в XXI веке Больше президенток и законов о насилии: 10 важных достижений феминисток в XXI веке

Главные достижения феминисток за последние 25 лет

Forbes
Конкурс страшных рассказов: «Чуткая», Марина Бутусова Конкурс страшных рассказов: «Чуткая», Марина Бутусова

Рассказ о загадочных ночных превращениях мужа и странностях семейной жизни

VOICE
Реактивный рост Реактивный рост

Как стартап выпускников химфака МГУ и Бауманки превратился в большой бизнес

Ведомости
Держи баланс Держи баланс

Как продвинуться в карьере и при этом сохранить здоровье

Лиза
Чайный театр Чайный театр

Чайная «ТИШь»: где чай становится искусством, а внимание — главным ингредиентом

Seasons of life
Валдис Пельш: Как ревели горы Валдис Пельш: Как ревели горы

История-подъем, превозмогание, смелость и безумие

Maxim
АУК — это мы все АУК — это мы все

Аутентичная уральская кухня — проект, который изменил всю мою жизнь

Bones
Открыть в приложении