Человек редактированный, или Биомедицина будущего - Киселев Сергей Владимирович
МЕДУЗЫ И ГЕНЕТИКА
Как ни странно, в глубинах океана, куда вообще не проникает свет, тоже есть жизнь — богатая и разнообразная. Обитающие там организмы, никогда не видевшие света, обладают множеством диковинных свойств, предназначение которых зачастую бывает для нас непонятным. Одно из них обнаружили еще в 1960-х годах. Вытащенные на поверхность глубоководные организмы, потерявшие при солнечном освещении всю свою красоту, случайно были освещены ультрафиолетовым светом определенной длины волны. И вдруг полупрозрачные, почти бесцветные медузы и другие подводные жители «загорелись» зеленым, синим, красным, оранжевым цветами!
Оказывается, ультрафиолетовый свет этой длины волны, невидимый для наших глаз, приводит к возбуждению электронов в молекулах определенных белков, и клетки, содержащие эти белки, начинают светиться. Это качество, для глубоководных существ абсолютно ненужное и бессмысленное, так как вода прекрасно поглощает ультрафиолет, для нас оказалось чрезвычайно полезным. На данный момент открыто много различных флуоресцентных белков, одна часть которых выделена напрямую из тех или иных видов медуз, кораллов и других подводных жителей, а другая часть получена генно-инженерными способами. Сегодня флуоресцентные цветные белки активно применяются в научных исследованиях.
Именно флуоресцентные белки стали использоваться для создания так называемой репортерной системы на основе мутантной системы CRISPR/Cas9. Репортерная система — это, конечно, научный жаргон экспериментальных исследователей. Сегодня у нас слово «репортер» ассоциируется только со средствами массовой информации. В привычном понимании это кто-то, передающий информацию с места событий. Такое же значение это слово приобрело и в современной экспериментальной биологии. Биологическая репортерная система связана со светящимися белками, благодаря которым появляется возможность своими глазами видеть микроскопические события, происходящие внутри клетки. За использование свойств зеленого флуоресцентного белка — GFP (green fluorescent protein), выделенного из медуз, в 2008 году была вручена
Нобелевская премия. Надо отметить, что в справке Нобелевского комитета ни разу не прозвучало сочетание «репортерная система», зато неоднократно использовались такие слова, как «освещает» (illuminate) и «маяк», «бакен», «сигнальный огонь» (beacon). Действительно, если с помощью генной инженерии сделать синтетическую конструкцию, в которой какой-то клеточный белок, например инсулин, составляет единое целое с GFP, то введя ее в клетки или даже в целый организм, мы сможем визуально проследить, как инсулин секретируется клетками и путешествует по организму.
При создании репортерной системы на основе CRISPR/Cas9 используется следующий подход. Берется направляющая РНК, с помощью генной инженерии соединенная с мутантным белком Cas9, который лишен нуклеазной активности (способности разрезать ДНК), к нему «пришивается», как говорят генные инженеры, репортерный флуоресцентный белок. Посветив ультрафиолетом на клетку, в которую введена такая репортерная конструкция, мы увидим ее свет именно там, где направляющая РНК нашла определенный фрагмент ДНК, с которым она связалась. Теперь надо ввести в клетку генетические конструкции с направляющими РНК к тем генам, которые предположительно находятся все вместе в одном районе ядра (колокализуются), причем каждая из генетических конструкций содержит мутантный Cas9 своего цвета. И тогда мы получим возможность своими глазами увидеть в живой клетке, не разрушая ее, в каком именно месте находятся наши гены, использующие один и тот же транскрипционный комплекс. И это не просто игрушка ученых, а важный технологический шаг, потому что очень многие болезни характеризуются как раз нарушением работы генов, но далеко не всегда ясно, какие механизмы при этом задействованы и, соответственно, какие требуются методы для лечения.
Репортерные конструкции предоставляют ученым еще одну необыкновенную возможность: увидеть живую клетку в процессе ее жизнедеятельности. Сегодня получило удивительное развитие такое направление, как прижизненное клеточное кино. Существующая микроскопическая техника позволяет наблюдать живую клетку на протяжении дней и даже недель, но если при этом в нее ввести наши репортерные конструкции, то с их помощью ученые смогут четко определять, каким образом те или иные фрагменты ДНК становятся активными, связываясь с транскрипционными факторами. Система на основе CRISPR и модифицированного Cas позволяет делать это очень эффективно, расширяя наши познания о том, как живет клетка.
В принципе, легко себе представить, что все описанные выше возможности — подавление гена, активация гена, репортерная система, позволяющая определить, как этот ген заработал, и другие — могут быть применены совместно в одной клетке, в одной пробирке, и можно будет наблюдать в режиме реального времени, что при этом происходит, добиваясь нужных результатов. А это значит, что система распознавания на основе направляющей РНК CRISPR и мутантного фермента Cas9 дает огромные дополнительные возможности в науке, причем без значительных временных затрат.
Генетическое модифицирование в сельском хозяйстве
Многие сотни тысяч лет наши древние предки в поисках пищи и более благоприятных климатических условий кочевали по всем континентам Земли, промышляя главным образом собирательством того, что находится на уровне глаз и под ногами. Это части и плоды растений, насекомые и их личинки, прибрежная морская или речная живность, остатки пищи от крупных хищников. Некоторые ученые считают, что древние люди в силу своих ограниченных возможностей были дневными падальщиками, поскольку более сильные хищники охотились ночью, а днем спали. Только палка и камень, взятые в руки, немного уравняли возможности вида Homo erectus и других близких видов с возможностями крупных хищников.
Собирательство было не самым надежным источником пищи, оно требовало постоянных перемещений для освоения новых территорий. Несомненным преимуществом в природе обладают те виды животных, у которых детеныши могут сразу самостоятельно перемещаться вслед за матерью, что обеспечивает и безопасность, и питание. Однако большинству животных необходимы месяцы, пока их детеныши смогут следовать за группой. Это время они проводят в укромном уголке, чтобы матери имели возможность покидать потомство. Наиболее близкие человеку виды приматов минимизировали свой контакт с землей, которая представляет для них опасность, и переселились на ветки деревьев, что обеспечило их пищей и дало возможность относительно спокойно передвигаться с детенышами, вцепившимися в матерей. Увы, относительно слабые предки человека были не способны жить на деревьях и не могли выкапывать безопасные норы с длинными ходами. Такое низкое положение в иерархической лестнице природы заставило их проявлять чудеса наблюдательности, анализа и творчества.
В частности, наши далекие предки обратили внимание на то, что остатки плодов и семена, случайно оставшиеся возле их стоянок, давали всходы. Человек начал их специально высаживать, отбирать самые плодовитые и вкусные. И вскоре люди заметили, что целенаправленное выращивание съедобных растений дает гораздо больший эффект, чем собирательство. Появилась возможность вести оседлый образ жизни, поскольку растительная пища эффективно обновлялась, а животные фактически приходили к этим местам сами. Многовековое наблюдение за растениями позволило человеку из дикорастущих видов выбрать оптимальные по вкусовым качествам, калорийности, урожайности, удобству уборки урожая и возможности хранения виды. Появились сорта растений, которые со временем стали называться культурными.
Такие растения отличались от дикорастущих прежде всего своей плодовитостью, позволяющей с единицы площади получить больше съедобной продукции. Сегодня мы понимаем, что наблюдательные люди по чисто внешним признакам отбирали те растения, в которых произошли какие-то случайные мутации. Они не знали, что мутации бывают разными, что их может происходить несколько, и отбирали не мутацию, а тот колосок, в котором образовалось больше зерен. Вид Homo sapiens sapiens освоил земледелие примерно десять тысяч лет назад; плотность населения была низкая, и окультуренные виды растений могли прокормить человечество. Климатические изменения зачастую приводили к появлению случайных мутаций, которые изменяли свойства растений, а человек продолжал отбирать лучшие. Это было время искусственного отбора и простейшей селекции с помощью скрещивания.
