Уолтер Айзексон – Взломавшая код. Дженнифер Даудна, редактирование генома и будущее человечества (страница 14)

Они выбрали Беркли, отдав должное американской системе государственного финансирования образования. Она восходит ко временам Авраама Линкольна, который в разгар Гражданской войны посчитал государственное образование достаточно важным, чтобы в 1862 году провести закон Моррилла, позволявший использовать средства от продаж федеральных земель на организацию новых сельскохозяйственных и технических колледжей.

В их число вошел Колледж сельскохозяйственных, горных и механических ремесел, основанный в 1866 году неподалеку от Окленда в Калифорнии. Два года спустя он объединился с соседним частным Калифорнийским колледжем, стал Калифорнийским университетом в Беркли и вырос до одного из лучших в мире образовательных и исследовательских институтов. В 1980-х годах Беркли более чем наполовину финансировался штатом. Но впоследствии финансирование Беркли, как и большинства других публичных университетов, было урезано. Когда Даудна поступила на работу, штат обеспечивал лишь 30 % бюджета Беркли. В 2018 году объем финансирования снова сократили, и оно составило всего 14 %. В результате плата за обучение в бакалавриате Беркли в 2020 году составила 14 250 долларов в год, что более чем в три раза выше, чем в 2000 году. С учетом проживания, питания и других расходов на учебу приходится ежегодно тратить примерно 36 264 доллара. Для студентов из других штатов общие затраты составляют около 66 тысяч долларов в год.

Изучение структуры РНК привело Даудну в сферу, которая приобрела неожиданно большую значимость на более поздних этапах ее карьеры: изучение вирусов. В частности, ее интересовало, как РНК некоторых вирусов, например коронавирусов, позволяет им захватывать контроль над механизмами клеток, отвечающими за производство белка. В первый семестр Даудны в Беркли, осенью 2002 года, в Китае возникла вспышка вируса, вызывавшего тяжелый острый респираторный синдром, ТОРС (SARS). Многие вирусы состоят из ДНК, но SARS был коронавирусом и содержал РНК. Вспышка вируса закончилась через полтора года, но за это время вирус успел убить по всему миру почти восемьсот человек. Официально он назывался SARS-CoV. В 2020 году ему присвоили новое имя – SARS-CoV-1.

Даудна также заинтересовалась феноменом, называемым РНК-интерференцией. В обычных условиях гены, закодированные ДНК в клетках, отправляют матричную РНК руководить процессом построения белка. При РНК-интерференции малые молекулы находят способ оказывать влияние на матричные РНК.

РНК-интерференция была открыта в 1990-х годах, и отчасти заслуга принадлежит исследователям, которые пытались сделать пурпурные петунии более яркими, повысив экспрессию гена окраски цветка. Но в результате эксперимента экспрессия некоторых генов, напротив, оказалась снижена, и появились крапчатые и пятнистые петунии. Крейг Мелло и Эндрю Файер предложили термин “РНК-интерференция” в опубликованной в 1998 году статье и впоследствии получили Нобелевскую премию, изучив, как этот феномен работает у крошечных круглых червей[54].

РНК-интерференция происходит при посредстве фермента Dicer. Он делит длинный фрагмент РНК на короткие части. Эти маленькие фрагменты выполняют миссию “найти и уничтожить”: они обнаруживают молекулу матричной РНК с совпадающими буквами, а затем применяют подобный ножницам фермент, чтобы ее разбить. В итоге генетическая информация, переносимая в этой матричной РНК, оказывается подавленной.

Даудна поставила перед собой задачу изучить молекулярную структуру фермента Dicer. Как и ранее при работе с самосплайсирующимися РНК-интронами, она применяла рентгеновскую кристаллографию, чтобы исследовать все особенности молекулы, и надеялась, что таким образом сумеет понять, как именно она работает. До тех пор исследователи не знали, как Dicer разрезает РНК ровно на такие буквенные последовательности, которые необходимы для подавления экспрессии конкретного гена. Изучая структуру фермента Dicer, Даудна продемонстрировала, что он работает на манер линейки, на одном конце которой находится зажим для захвата длинного фрагмента РНК, а на другом – нож, отрезающий сегменты нужной длины.

Далее Даудна и ее команда показали, как заменять определенный домен фермента Dicer, чтобы создавать инструменты для подавления экспрессии других генов. “Пожалуй, самым удивительным открытием в этом исследовании стало то, что Dicer можно перестраивать”, – отметили ученые в статье, опубликованной в 2004 году[55]. Это было очень полезное открытие. Оно позволяло исследователям использовать РНК-интерференцию для отключения широкого диапазона генов, чтобы узнавать, за что ответственен каждый из них, а также регулировать его активность в медицинских целях.

В эпоху коронавирусов РНК-интерференция может играть и еще одну роль. С момента зарождения жизни на нашей планете некоторые организмы (но не человек) в ходе эволюции научились использовать РНК-интерференцию для борьбы с вирусами[56]. В опубликованной в 2013 году научной статье Даудна написала, что ученые хотят найти способ использовать РНК-интерференцию для защиты людей от инфекций[57]. В двух статьях, вышедших в том году в журнале Science, содержались веские свидетельства в пользу такого ее применения. Тогда высказывалась надежда, что настанет день, когда препараты на основе РНК-интерференции смогут лечить тяжелые вирусные инфекции, в том числе вызываемые новыми коронавирусами[58].

Статья Даудны об РНК-интерференции вышла в журнале Science в январе 2006 года. Через несколько месяцев в статье, опубликованной в не столь популярном журнале, были описаны различные механизмы борьбы с вирусами, существующие в природе. Эту работу написал малоизвестный испанский исследователь, открывший механизм в таких микроорганизмах, как бактерии, которые ведут борьбу с вирусами гораздо дольше человека, хотя борьба эта порой и принимает более ожесточенные формы. Сначала немногочисленные ученые, исследовавшие эту систему, полагали, что в своей работе она опирается на РНК-интерференцию. Но вскоре они установили, что на самом деле этот феномен еще интереснее.

Часть вторая. CRISPR

Ученый изучает природу не потому, что это полезно; он исследует ее потому, что это доставляет ему наслаждение, а наслаждение это ему дает потому, что природа прекрасна[59].

Глава 9. Сгруппированные повторы

Когда Ёсидзуми Исино учился в Осакском университете в Японии, в рамках своего диссертационного исследования он должен был секвенировать ген бактерии E. coli. Шел 1986 год, и процесс секвенирования генов был трудоемким, но в конце концов Исино сумел определить 1038 спаренных оснований, из которых состоял нужный ген. В последнем абзаце длинной статьи о гене, опубликованной на следующий год, он отметил странность, которую счел, однако, недостаточно значимой, чтобы упомянуть о ней в аннотации. “Была обнаружена необычная структура, – написал он. – Пять в высокой степени гомологичных последовательностей из 29 нуклеотидов были выстроены прямыми повторами”. Иными словами, он нашел пять сегментов ДНК, идентичных друг другу. Эти повторяющиеся последовательности, в каждой из которых было по двадцать девять спаренных оснований, перемежались обычными нуклеотидными последовательностями, названными “спейсерами”. Исино понятия не имел, что это за сгруппированные повторы. Он завершил свою статью такой строкой: “Биологическое значение этих последовательностей неизвестно”. И не стал погружаться в тему[60].

Франсиско Мохика

Первым функцию повторяющихся последовательностей установил Франсиско Мохика, аспирант Университета Аликанте, находящегося на средиземноморском побережье Испании. В 1990 году он приступил к работе над диссертацией об археях, которые, как и бактерии, представляют собой одноклеточные организмы, не имеющие ядер. Археи, которые он изучал, живут в соленых водоемах, где концентрация соли в десять раз выше, чем в океане. Мохика секвенировал области, которые, как он полагал, могли объяснить любовь архей к соли, и заметил четырнадцать идентичных последовательностей ДНК, повторяющихся с регулярными интервалами. Они были палиндромными, то есть читались одинаково в обоих направлениях[61].

Сначала Мохика решил, что напортачил с секвенированием. “Я подумал, что совершил ошибку, ведь секвенирование тогда было непростым делом”, – со смехом вспоминает он. Но уже к 1992 году, снова и снова замечая в своих данных регулярные повторы, Мохика заинтересовался, не сталкивался ли кто-нибудь с подобным. Еще не существовало ни Google, ни онлайн-баз, поэтому он вручную перебирал упоминания слова “повтор” в печатном каталоге научных статей Current Contents. Поскольку дело было в прошлом веке, когда в интернет выкладывалось лишь малое число публикаций, всякий раз, когда Мохика обнаруживал любопытную статью, ему приходилось идти в библиотеку и искать соответствующий журнал. В конце концов он добрался до статьи Исино.

Бактерия E. coli, которую изучал Исино, сильно отличается от архей Мохико. Было удивительно, что в ДНК обоих организмов присутствовали повторяющиеся последовательности и спейсеры. Отметив это, Мохико пришел к выводу, что исследуемый феномен имеет важное биологическое значение. В статье, опубликованной в 1995 году, Мохика и его научный руководитель назвали такие повторы “тандемными” и сделали предположение – как оказалось, неверное, – что они каким-то образом задействованы в процессе воспроизводства клетки[62].