Нобелевская премия по химии была присуждена двум исследователям в среду за инструмент редактирования генов, который произвел революцию в науке, предоставив способ изменить ДНК, код жизни-технологию, уже используемую для лечения множества болезней и выращивания лучших культур и скота.

Эммануэль Шарпантье из Франции и Дженнифер А. Дудна из США выиграли за разработку CRISPR-cas9, очень простой техники для вырезания гена в определенном месте, позволяющей ученым оперировать дефектами, которые являются основной причиной многих заболеваний.

"Этот генетический инструмент обладает огромной силой", - сказал Клаас Густафссон, председатель Нобелевского комитета по химии.

В настоящее время проводится более 100 клинических испытаний по изучению использования CRISPR для лечения наследственных заболеваний, и "многие из них очень перспективны", по словам Виктора Дзау, президента Национальной Медицинской академии.

"Моя самая большая надежда заключается в том, что он используется во благо, чтобы раскрыть новые тайны в биологии и принести пользу человечеству", - сказал Дудна, который связан с Калифорнийским университетом в Беркли и оплачивается медицинским институтом Говарда Хьюза, который также поддерживает Департамент здравоохранения и науки Associated Press.

Работа, получившая премию, открыла дверь к некоторым сложным этическим проблемам: когда редактирование делается после рождения, изменения ограничиваются этим человеком. Ученые опасаются, что CRISPR будет использоваться для создания "дизайнерских младенцев" путем изменения яйцеклеток, эмбрионов или сперматозоидов—изменений, которые могут быть переданы будущим поколениям.

Большая часть мира узнала о CRISPR в 2018 году, когда китайский ученый Хэ Цзянькуй показал, что он помог создать первых в мире генно-модифицированных младенцев, чтобы попытаться создать устойчивость к заражению вирусом СПИДа. Его работа была осуждена как небезопасное экспериментирование на людях, и он был приговорен к тюремному заключению в Китае.

В сентябре международная группа экспертов опубликовала доклад, в котором говорилось, что еще слишком рано проводить такие эксперименты, поскольку наука недостаточно развита для обеспечения безопасности.

"Возможность выборочно редактировать гены означает, что вы в некотором смысле играете в Бога", - сказал президент Американского химического общества Луис Эчегойен, профессор химии в Техасском университете Эль-Пасо.

Д—р Джордж Дейли, декан Гарвардской медицинской школы, сказал: "новая технология часто представляет собой эту дихотомию-существует огромный потенциал для пользы человека, особенно для лечения заболеваний, но также и риск неправильного применения."

Тем не менее, ученые повсеместно хвалили огромный потенциал, который редактирование генов имеет для пациентов в настоящее время.

"Нет ни одного аспекта биомедицинских исследований, который не был бы затронут CRISPR", который был использован для разработки лучших культур и для лечения заболеваний человека, включая серповидноклеточную инфекцию, ВИЧ-инфекцию и наследственные формы слепоты, - сказал доктор Киран Мусунуру, эксперт по генетике из Пенсильванского университета, который исследует его для сердечных заболеваний.

Дудна сказал, что CRISPR также может быть использован для проектирования заводов, чтобы хранить больше углерода или противостоять экстремальным изменениям климата, что дает исследователям шанс "решить насущные проблемы, с которыми сталкивается человечество."

Это уже четвертый случай за 119-летнюю историю премий, когда Нобелевская премия по естественным наукам присуждалась исключительно женщинам.

Шарпантье, 51-летняя руководитель группы Макса Планка по науке о патогенах в Берлине, сказала, что, хотя она считает себя прежде всего ученым, "это отражает тот факт, что наука становится более современной и привлекает больше женщин-лидеров."

"Я очень надеюсь, что она останется и даже будет развиваться в этом направлении", - сказала она, добавив, что "быть женщиной в науке более обременительно, чем быть мужчиной в науке."

Трижды женщина получала Нобелевскую премию в области естественных наук в одиночку; это первый раз, когда полностью женская команда выиграла научную премию. В 1911 году Мария Кюри была единственным лауреатом премии по химии, как и Дороти Кроуфут Ходжкин в 1964 году. В 1983 году Барбара Макклинток получила Нобелевскую премию по медицине.

Прорывное исследование, проведенное Шарпантье и Дудной, было опубликовано в 2012 году, что делает открытие очень недавним по сравнению со многими другими Нобелевскими исследованиями, которые часто удостаиваются чести только по прошествии десятилетий.

Доктор Фрэнсис Коллинз, возглавлявший работу по составлению карты генома человека, сказал, что технология "изменила все" в том, как подходить к болезням с генетической причиной.

"Вы можете провести прямую линию от успеха проекта" Геном человека "до способности CRISPR-cas вносить изменения в инструкцию", - сказал Коллинз, директор Национального института здравоохранения США, который помог финансировать работу Дудны.

Институт брода, совместно управляемый Гарвардом и Массачусетским технологическим институтом, вел судебную борьбу с Нобелевскими лауреатами за патенты на технологию CRISPR, и многие другие ученые проделали важную работу над ней, но Дудна и Шарпантье были наиболее последовательно удостоены премий за превращение ее в легко используемый инструмент.

Фэн Чжан, ученый широкого профиля, наиболее известный за эту работу, никак не прокомментировал награды, но директор широкого, Эрик Ландер, поздравил победителей в Твиттере. Другой крупный специалист по генному редактированию, Дэвид Лю, отметил в Twitter, что основополагающая исследовательская работа победителей в 2012 году была процитирована более 9500 раз, или примерно раз в восемь часов.

Нобелевская премия вручается вместе с золотой медалью и 10 миллионами крон (более 1,1 миллиона долларов), завещанными более века назад создателем премии Альфредом Нобелем, изобретателем динамита.

В понедельник Нобелевская премия по медицине была присуждена за открытие разрушающего печень вируса гепатита С. Во вторник премия по физике была присуждена за прорыв в понимании черных дыр. В ближайшие дни будут вручены премии в области литературы, мира и экономики.

Генетические ножницы: инструмент для переписывания кода жизни

Эммануэль Шарпантье и Дженнифер А. Дудна открыли один из самых острых инструментов генной технологии: генетические ножницы CRISPR/Cas9. Используя их, исследователи могут изменять ДНК животных, растений и микроорганизмов с чрезвычайно высокой точностью. Эта технология оказала революционное влияние на науку о жизни, вносит свой вклад в новые методы лечения рака и может воплотить мечту о лечении наследственных заболеваний в реальность.

Исследователи должны модифицировать гены в клетках, если они хотят узнать о внутренней работе жизни. Раньше это была трудоемкая, трудная, а иногда и невыполнимая работа. Используя генетические ножницы CRISPR/Cas9, теперь можно изменить код жизни в течение нескольких недель.

- В этом генетическом инструменте заключена огромная сила, которая влияет на всех нас. Это не только революционизировало фундаментальную науку, но и привело к появлению инновационных культур и приведет к новаторским новым медицинским методам лечения",-говорит Клаас Густафссон, председатель Нобелевского комитета по химии.

Как это часто бывает в науке, открытие этих генетических ножниц было неожиданным. Во время исследований Эммануэль Шарпантье Streptococcus pyogenes, одной из бактерий, причиняющих наибольший вред человечеству, она обнаружила ранее неизвестную молекулу-tracrRNA. Ее работа показала, что tracrRNA является частью древней иммунной системы бактерий, CRISPR/Cas, которая обезоруживает вирусы, расщепляя их ДНК.

Шарпантье опубликовала свое открытие в 2011 году. В том же году она начала сотрудничество с Дженнифер Дудна, опытным биохимиком с обширными знаниями о РНК. Вместе им удалось воссоздать генетические ножницы бактерий в пробирке и упростить молекулярные компоненты ножниц, чтобы их было легче использовать.

В ходе эпохального эксперимента они перепрограммировали генетические ножницы. В своей естественной форме ножницы распознают ДНК вирусов, но Шарпантье и Дудна доказали, что ими можно управлять так, чтобы они могли разрезать любую молекулу ДНК в заданном месте. Там, где ДНК разрезана, легко переписать код жизни.

С тех пор как Шарпантье и Дудна открыли генетические ножницы CRISPR/Cas9 в 2012 году, их использование резко возросло. Этот инструмент способствовал многим важным открытиям в области фундаментальных исследований, и исследователи растений смогли разработать культуры, которые выдерживают плесень, вредителей и засуху. В медицине ведутся клинические испытания новых методов лечения рака, и мечта о возможности излечения наследственных заболеваний вот-вот осуществится. Эти генетические ножницы перенесли науку о жизни в новую эпоху и во многих отношениях приносят человечеству величайшую пользу.

***************************

Одна из прелестей науки в том, что она непредсказуема – вы никогда не можете заранее знать, к чему может привести та или иная идея или вопрос. Иногда любознательный ум заходит в тупик, иногда он сталкивается с тернистым лабиринтом, на поиски которого уходят годы. Но время от времени она понимает, что она-первый человек, который когда-либо смотрел на горизонт невыразимых возможностей.

Генный редактор CRISPR-Cas9-одно из таких неожиданных открытий с захватывающим дух потенциалом. Когда Эммануэль Шарпантье и Дженнифер Дудна начали исследовать иммунную систему стрептококковой бактерии, одна из идей заключалась в том, что они, возможно, могли бы разработать новую форму антибиотика. Вместо этого они открыли молекулярный инструмент, который может быть использован для точных разрезов в генетическом материале, что позволяет легко изменять код жизни.

Мощный инструмент, который влияет на всех

Всего через восемь лет после своего открытия эти генетические ножницы изменили науку о жизни. Биохимики и клеточные биологи теперь могут легко исследовать функции различных генов и их возможную роль в прогрессировании болезни. В селекции растений исследователи могут дать растениям специфические характеристики, такие как способность противостоять засухе в более теплом климате. В медицине этот редактор генов вносит свой вклад в новые методы лечения рака и первые исследования, направленные на лечение наследственных заболеваний.

Есть почти бесконечные примеры того, как можно использовать CRISPR-Cas9, которые также включают неэтичные приложения. Как и во всех мощных технологиях, эти генетические ножницы нуждаются в регулировании. Об этом позже.

В 2011 году ни Эммануэль Шарпантье, ни Дженнифер Дудна даже не подозревали, что их первая встреча в кафе в Пуэрто-Рико изменила всю их жизнь. Начнем с представления Шарпантье, который изначально предложил им сотрудничество.

Шарпантье очарован болезнетворными бактериями

Некоторые люди называют ее целеустремленной, внимательной и основательной. Другие говорят, что Эммануэль Шарпантье всегда ищет неожиданного. Она сама цитирует Луи Пастера: "случай благоприятствует подготовленному уму". Стремление к новым открытиям и желание быть свободной и независимой определили ее путь. В том числе ее докторантура в Институте Пастера в Париже, она жила в пяти разных странах, семи разных городах и работала в десяти разных учреждениях.

Ее окружение и подходы изменились, но большинство ее исследований имеют один общий знаменатель: патогенные бактерии. Почему они так агрессивны? Как они развивают свою устойчивость к антибиотикам? И возможно ли найти новые методы лечения, которые могут остановить их прогресс?

В 2002 году, когда Эммануэль Шарпантье основала свою собственную исследовательскую группу в Венском университете, она сосредоточилась на одной из бактерий, причиняющих наибольший вред человечеству: Streptococcus pyogenes. Каждый год он заражает миллионы людей, часто вызывая легко поддающиеся лечению инфекции, такие как тонзиллит и импетиго. Однако он также может вызвать опасный для жизни сепсис и разрушить мягкие ткани в организме, что дает ему репутацию "пожирателя плоти".

Чтобы лучше понять S. pyogenes, Шарпантье начал с тщательного изучения того, как регулируются гены этой бактерии. Это решение было первым шагом на пути к открытию генетических ножниц – но прежде чем мы пойдем дальше по этому пути, мы узнаем больше о Дженнифер Дудна. Потому что пока Шарпантье подробно изучает S. pyogenes, Дудна слышит – впервые – аббревиатуру, которая, по ее мнению, звучит как более четкая.

Наука – такое же приключение, как и детектив

Даже будучи ребенком, выросшим на Гавайях, Дженнифер Дудна испытывала сильное желание все знать. Однажды отец положил ей на кровать книгу Джеймса Уотсона "двойная спираль". Эта детективная история о том, как Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик разгадали структуру молекулы ДНК, не была похожа ни на что, что она читала в своих школьных учебниках. Она была очарована научным процессом и поняла, что наука-это больше, чем просто факты.

Однако, когда она начала разгадывать научные тайны, ее внимание было сосредоточено не на ДНК, а на ее молекулярном родственнике-РНК. В 2006 году – когда мы с ней познакомились – она возглавляет исследовательскую группу в Калифорнийском университете в Беркли и имеет двадцатилетний опыт работы с РНК. Она имеет репутацию успешного исследователя с нюхом на новаторские проекты и недавно вступила в захватывающую новую область: РНК-интерференцию.

В течение многих лет исследователи полагали, что они понимают основную функцию РНК, но они внезапно обнаружили множество маленьких молекул РНК, которые помогают регулировать активность генов в клетках. Участие Дженнифер Дудны в РНК-интерференции стало причиной того, что в 2006 году ей позвонил коллега из другого отдела.

Бактерии несут древнюю иммунную систему

Ее коллега, микробиолог, рассказывает Дудне о новом открытии: когда исследователи сравнивают генетический материал совершенно разных бактерий, а также архей (разновидность микроорганизмов), они обнаруживают повторяющиеся последовательности ДНК, которые удивительно хорошо сохраняются. Один и тот же код появляется снова и снова, но между повторениями есть уникальные последовательности, которые отличаются. Это похоже на то, как одно и то же слово повторяется между каждым уникальным предложением в книге.

Эти массивы повторяющихся последовательностей называются кластеризованными регулярно чередующимися короткими палиндромными повторами, сокращенно CRISPR. Интересно, что уникальные, неповторяющиеся последовательности в CRISPR, по-видимому, соответствуют генетическому коду различных вирусов, поэтому в настоящее время считается, что это одна из частей древней иммунной системы, которая защищает бактерии и археи от вирусов. Гипотеза состоит в том, что если бактерии удалось пережить вирусную инфекцию, она добавляет часть генетического кода вируса в свой геном в качестве памяти об инфекции.

Никто еще не знает, как все это работает, говорит ее коллега, но есть подозрение, что механизм, используемый бактериями для нейтрализации вируса, похож на тот, который изучает Дудна: РНК-интерференция.

Дудна отображает сложный механизм

Эта новость одновременно удивительна и волнительна. Если это правда, что бактерии имеют древнюю иммунную систему, то это большое дело. Чувство молекулярной интриги Дженнифер Дудна оживает, и она начинает узнавать все, что может о системе CRISPR.

Оказывается, в дополнение к последовательностям CRISPR исследователи обнаружили специальные гены, которые они назвали CRISPR-ассоциированными, сокращенно cas. Интересно, что эти гены очень похожи на гены, кодирующие уже известные белки, которые специализируются на разматывании и разрезании ДНК. Итак, имеют ли белки Cas ту же функцию? Расщепляют ли они ДНК вируса?

Она ставит свою исследовательскую группу на работу, и через несколько лет им удалось выявить функцию нескольких различных белков Cas. Параллельно несколько других исследовательских групп в других университетах изучают недавно открытую систему CRISPR/Cas. Их картирование показывает, что иммунная система бактерий может принимать самые разные формы. Система CRISPR/Cas, изучаемая Doudna, относится к классу 1; это сложный механизм, который требует много различных белков Cas для обезвреживания вируса. Системы класса 2 значительно проще, потому что им требуется меньше белков. В другой части мира Эммануэль Шарпантье только что столкнулась с такой системой. Вернуться к ней.

Новая и неизвестная часть головоломки CRISPR-системы

Когда мы расстались с Эммануэль Шарпантье, она жила в Вене, но в 2009 году переехала на работу с хорошими исследовательскими возможностями в университет Умео на севере Швеции. Ее предупреждали о переезде в такую отдаленную часть света, но долгая, темная зима дает ей достаточно покоя и тишины для работы.

И она нуждается в нем. Она также интересуется небольшими молекулами РНК, регулирующими гены, и, работая с исследователями в Берлине, она составила карту малых РНК, обнаруженных в S. pyogenes. Результаты дали ей много поводов для размышлений, потому что одна из маленьких молекул РНК, которая существует в больших количествах в этой бактерии, является пока неизвестным вариантом, и генетический код этой РНК очень близок к специфической последовательности CRISPR в геноме бактерии.

Сходство между ними заставляет Шарпантье подозревать, что они связаны. Тщательный анализ их генетических кодов также показывает, что одна часть маленькой и неизвестной молекулы РНК соответствует той части CRISPR, которая повторяется. Это как найти две части головоломки, которые идеально подходят друг к другу.

Шарпантье никогда не работала с CRISPR, но ее исследовательская группа инициирует тщательную микробиологическую детективную работу, чтобы составить карту системы CRISPR в S. pyogenes. Эта система, которая относится к классу 2, уже была известна тем, что для расщепления вирусной ДНК требовался только один белок Cas, Cas9. Шарпантье показывает, что неизвестная молекула РНК, которая называется трансактивирующей crispr-РНК (tracrRNA), также имеет решающую функцию; необходимо, чтобы длинная РНК, созданная из последовательности CRISPR в геноме, созрела в свою активную форму.

После интенсивных и целенаправленных экспериментов Эммануэль Шарпантье публикует открытие tracrRNA в марте 2011 года. Она знает, что идет по пятам за чем-то очень волнующим. Она имеет многолетний опыт работы в микробиологии и в своем продолжающемся исследовании системы CRISPR-Cas9 хочет сотрудничать с биохимиком. Дженнифер Дудна - это естественный выбор. Поэтому той весной, когда Шарпантье приглашают на конференцию в Пуэрто-Рико, чтобы рассказать о своих находках, ее цель-встретиться с этим опытным исследователем из Беркли.

Встреча, меняющая жизнь, в пуэрто-риканском кафе

По стечению обстоятельств, они встречаются в кафе на второй день конференции. Коллега Дудны знакомит их друг с другом, и на следующий день Шарпантье предлагает им вместе осмотреть старые районы столицы. Прогуливаясь по мощеным улицам, они начинают рассказывать о своих исследованиях. Шарпантье задается вопросом, заинтересована ли Дудна в сотрудничестве – хотела бы она участвовать в изучении функции Cas9 в простой системе класса 2 S. pyogenes?

Дженнифер Дудна заинтригована, и они с коллегами строят планы для проекта с помощью цифровых встреч. Они подозревают, что CRISPR-РНК необходима для идентификации ДНК вируса, и что Cas9-это ножницы, которые отрезают молекулу ДНК. Однако ничего не происходит, когда они тестируют это в пробирке. Молекула ДНК остается неповрежденной. Почему? Что-то не так с экспериментальными условиями? Или Cas9 имеет совершенно другую функцию?

После большого количества мозговых штурмов и многочисленных неудачных экспериментов исследователи, наконец, добавили tracrRNA в свои тесты. Раньше они считали, что tracrRNA была необходима только тогда, когда CRISPR-РНК расщеплялась в свою активную форму, но как только Cas9 получил доступ к tracrRNA, то, чего все ждали, действительно произошло: молекула ДНК была расщеплена на две части.

Эволюционные решения часто удивляли исследователей, но это было нечто экстраординарное. Оружие, которое стрептококки разработали в качестве защиты от вирусов, является простым и эффективным, даже блестящим. На этом история генетических ножниц могла бы закончиться; Шарпантье и Дудна открыли в бактерии фундаментальный механизм, причиняющий человечеству огромные страдания. Это открытие было поразительно само по себе, но случай благоприятствует подготовленным умам.

Эпохальный эксперимент

Исследователи решили попытаться упростить генетические ножницы. Используя свои новые знания о tracr-РНК и CRISPR-РНК, они выяснили, как объединить их в единую молекулу, которую они назвали направляющей РНК. С помощью этого упрощенного варианта генетических ножниц они затем проводят эпохальный эксперимент: они исследуют, могут ли они контролировать этот генетический инструмент, чтобы он разрезал ДНК в месте, выбранном исследователями.

К этому времени исследователи уже знают, что близки к крупному прорыву. Они берут ген, который уже находится в морозильной камере в лаборатории Дудны, и выбирают пять различных мест, где ген должен быть расщеплен. Затем они изменяют часть CRISPR ножниц так, чтобы ее код соответствовал коду, в котором должны быть сделаны разрезы. Результат был ошеломляющим. Молекулы ДНК были расщеплены точно в нужных местах.

Ножницы генетические изменения биологических наук

Вскоре после того, как Эммануэль Шарпантье и Дженнифер Дудна опубликовали свое открытие генетических ножниц CRISPR/Cas9 в 2012 году, несколько исследовательских групп продемонстрировали, что этот инструмент может быть использован для модификации генома в клетках как мышей, так и людей, что приводит к взрывному развитию. Раньше изменение генов в клетке, растении или организме занимало много времени, а иногда и вовсе было невозможно. Используя генетические ножницы, исследователи могут – в принципе – делать разрезы в любом геноме, который они пожелают. После этого легко использовать естественные системы клетки для восстановления ДНК, чтобы они переписали код жизни.

Поскольку этот генный инструмент очень прост в использовании, он в настоящее время широко распространен в фундаментальных исследованиях. Он используется для изменения ДНК клеток и лабораторных животных с целью понимания того, как различные гены функционируют и взаимодействуют, например, во время течения болезни.

Генетические ножницы также стали стандартным инструментом в селекции растений. Методы, ранее использовавшиеся исследователями для модификации геномов растений, часто требовали добавления генов устойчивости к антибиотикам. Когда посевы были посажены, существовал риск распространения этой устойчивости к антибиотикам на окружающие микроорганизмы. Благодаря генетическим ножницам исследователям больше не нужно использовать эти старые методы, поскольку теперь они могут вносить очень точные изменения в геном. Среди прочего, они отредактировали гены, которые заставляют рис поглощать тяжелые металлы из почвы, что привело к улучшению сортов риса с более низким уровнем кадмия и мышьяка. Исследователи также разработали культуры, которые лучше выдерживают засуху в более теплом климате и которые противостоят насекомым и вредителям, с которыми в противном случае пришлось бы бороться с помощью пестицидов.

Надежда на излечение наследственных болезней

В медицине генетические ножницы вносят свой вклад в новые методы иммунотерапии рака, и в настоящее время ведутся испытания, чтобы воплотить мечту – лечение наследственных заболеваний. Исследователи уже проводят клинические испытания, чтобы выяснить, могут ли они использовать CRISPR/Cas9 для лечения заболеваний крови, таких как серповидноклеточная анемия и бета-талассемия, а также наследственных заболеваний глаз.

Они также разрабатывают методы восстановления генов в крупных органах, таких как мозг и мышцы. Эксперименты на животных показали, что специально разработанные вирусы могут доставлять генетические ножницы в нужные клетки, леча модели разрушительных наследственных заболеваний, таких как мышечная дистрофия, спинальная мышечная атрофия и болезнь Хантингтона. Однако технология нуждается в дальнейшей доработке, прежде чем ее можно будет опробовать на людях.

Сила генетических ножниц требует регулирования

Помимо всех своих преимуществ, генетические ножницы также могут быть использованы не по назначению. Например, этот инструмент можно использовать для создания генетически модифицированных эмбрионов. Однако в течение многих лет существовали законы и правила, регулирующие применение генной инженерии, которые включают запреты на модификацию человеческого генома таким образом, чтобы изменения передавались по наследству. Кроме того, эксперименты, в которых участвуют люди и животные, всегда должны быть рассмотрены и одобрены этическими комитетами до их проведения.

Одно можно сказать наверняка: эти генетические ножницы воздействуют на всех нас. Мы столкнемся с новыми этическими проблемами, но этот новый инструмент вполне может способствовать решению многих проблем, стоящих сейчас перед человечеством. Благодаря своему открытию Эммануэль Шарпантье и Дженнифер Дудна разработали химический инструмент, который перенес науку о жизни в новую эпоху. Они заставили нас заглянуть в необъятный горизонт невообразимого потенциала, и по пути – когда мы исследуем эту новую землю – мы гарантированно сделаем новые и неожиданные открытия.

ИСТОЧНИК