Недавно я услышала необыкновенную историю, которая хорошо показывает мощь и возможности технологии редактирования генома.

В 2013 году ученые из Национальных институтов здравоохранения США[6] столкнулись с медицинской загадкой. Изучая редкое наследственное заболевание, известное как синдром WHIM[7], они встретили пациентку, чье состояние казалось необъяснимым. В раннем возрасте у женщины (я буду называть ее Ким) была диагностирована эта болезнь, однако через много лет, когда специалисты НИЗ обследовали Ким, заболевание будто бы чудесным образом исчезло.

Синдром WHIM выявлен лишь у нескольких десятков человек в мире, и этот потенциально смертельный иммунодефицит приносит большие страдания тем, кому не повезло услышать такой диагноз. Причиной болезни является крошечная мутация – всего одна неправильная “буква” из 6 миллиардов “букв” ДНК: иными словами, заменены лишь около дюжины атомов. Но это крохотное изменение делает носителя синдрома WHIM чрезвычайно восприимчивым к заражению вирусом папилломы человека (ВПЧ), который вызывает образование неконтролируемо распространяющихся по всему телу бородавок. А они, в свою очередь, могут перерастать в рак.

О редкости заболевания наглядно говорит тот факт, что первой пациенткой, у которой сотрудники НИЗ диагностировали этот синдром еще в 1960-х годах, была Ким, ее же они и обследовали годы спустя (в научной литературе она известна как пациент WHIM-09). Ким страдала от болезни с рождения, и в течение жизни ее несколько раз госпитализировали из-за инфекций, связанных с синдромом.

В 2013 году Ким, которой к тому времени было уже 58 лет, пришла на обследование в НИЗ с двумя своими дочерьми, каждой из которых было по 20 с небольшим. У более молодой из двух женщин были классические симптомы заболевания, однако ученые очень удивились, когда обнаружили, что сама Ким казалась совершенно здоровой. Собственно, она это и подтвердила, заявив, что у нее нет никаких симптомов уже больше 20 лет. Поразительным образом Ким излечилась сама, без всякого медицинского вмешательства.

Ученые провели ряд экспериментов, чтобы понять, как произошло это спонтанное исцеление от потенциально смертельной болезни, и обнаружили некоторые важные зацепки. В клетках, взятых из щеки и с кожи Ким, все еще присутствовал мутантный ген, однако он необъяснимым образом исчез из клеток ее крови. Подвергнув ДНК кровяных клеток женщины более обстоятельному анализу, ученые обнаружили нечто еще более удивительное: у одной копии 2-й хромосомы отсутствовали целых 35 миллионов “букв” ДНК – и этот фрагмент целиком включал мутировавший ген под названием CXCR4. (Названия генов пишутся курсивом, а названия белков, которые кодируют эти гены, – прямым шрифтом. К примеру, ген HTT кодирует белок гентингтин; болезнь Гентингтона вызвана мутацией в гене HTT.) Остальные двести миллионов “букв” ДНК 2-й хромосомы были перемешаны – словно сквозь хромосому пронеслось торнадо и оставило ее составляющие в полном беспорядке.

Эти первоначальные открытия породили ряд новых вопросов. Как ДНК в клетках крови Ким стала такой “неорганизованной”, в то время как в других клетках организма она была в норме (не считая мутации в гене CXCR4)? Более того, почему, несмотря на то что хромосома, содержащая ген CXCR4, так сильно повреждена – на ней не хватает 164 генов! – клетки крови не просто выжили, но и нормально функционируют? Геном человека – полный набор всей генетической информации в наших клетках – содержит тысячи генов, необходимых для поддержания жизненно важных функций, таких как репликация ДНК и деление клеток, и казалось практически невероятным, что такое количество генов могут просто исчезнуть без вредных последствий для организма.

Проведя ряд опытов, ученые НИЗ понемногу приблизились к объяснению чудесного исцеления Ким. Они заключили, что в одной из клеток ее организма, должно быть, произошло редкое событие, обычно приводящее к катастрофическим последствиям, – хромотрипсис. Это явление было открыто недавно[8]; в результате хромотрипсиса хромосома внезапно разрушается, а затем восстанавливается, и это приводит к массовой перестановке генов в ней. Последствия такой трансформации для организма обычно либо незначительны (если поврежденная клетка немедленно умирает), либо очень серьезные (если перестановка в ДНК случайно активирует гены, вызывающие рак).

Однако в теле Ким хромотрипсис вызвал другие изменения. Мутировавшая клетка не просто нормально развивалась, но избавилась от гена, вызывающего синдром WHIM, так как в ней больше не было копии гена CXCR4, несущего болезнь.

Однако Ким повезло не только в этом. Ученые НИЗ определили, что “счастливая” клетка была, должно быть, гемопоэтической (кроветворной) стволовой клеткой. Из такой стволовой клетки происходят все виды кровяных клеток в теле, у нее есть практически неограниченный потенциал размножения и самообновления. Эта клетка передала свою измененную хромосому каждой дочерней клетке, что в итоге привело к обновлению всей иммунной системы Ким. Теперь в ней были только новые здоровые лейкоциты (белые кровяные тельца), в которых отсутствовала мутация гена CXCR4. Эта цепочка событий – настолько маловероятная, что я с трудом могла допустить мысль о реальности произошедшего, пока слушала доклад ученых, – фактически вывела из тела Ким неизлечимую болезнь, от которой она страдала с рождения.

Ученые, исследовавшие здоровье Ким, пришли к выводу, что природа будто бы провела над удачливой женщиной “беспрецедентный эксперимент”, в ходе которого всего одна стволовая клетка прошла через ряд спонтанных изменений, которые избавили как ее саму, так и все дочерние клетки от гена, несущего болезнь. Это была случайность – и, если бы события развивались немного иначе, эта случайность, попросту говоря, могла бы убить Ким, а не спасти ей жизнь.

Чтобы понять, насколько неожиданно благоприятным был такой исход, представьте, что геном человека – это большая компьютерная программа. В случае Ким в программе среди шести миллиардов “букв” содержалась всего одна “буква” некорректного кода. Чтобы найти эту неверную “букву”, вы вряд ли бы стали случайным образом, наугад удалять большие куски кода и перемешивать другие его части: это не только не исправило бы изначальную ошибку, но и привело бы к другим, гораздо более опасным. Только в случае чрезвычайного везения – вероятность такого везения была бы один к миллиону или даже к миллиарду – вы бы умудрились не только удалить именно тот кусок кода, что содержал ошибку, но и не нарушить при этом ключевые функции программы. Коротко говоря, это и случилось в геноме Ким – только работавшим наугад программистом была сама природа.

Однако как бы удивителен ни был случай Ким, еще больше поражает то, что он не уникален. Хотя это и единственный описанный случай исцеления пациента в результате спонтанного разрушения и последующего восстановления хромосомы, в научной литературе есть и другие примеры[9] пациентов, которые частично или полностью излечились после случайных, спонтанных исправлений мутаций. Например, в 1990-х у двух пациентов из Нью-Йорка выявили тяжелый комбинированный иммунодефицит (ТКИД) – наследственное заболевание, которое также называют синдромом “мальчика в пузыре” (из-за стерильных условий, в которых приходилось держать некоторых детей, чтобы минимизировать возможный контакт с болезнетворными микроорганизмами). Без строжайшей изоляции или интенсивных форм терапии маленькие пациенты с диагнозом ТКИД обычно умирают, не дожив и до двух лет. Однако двое пациентов из Нью-Йорка оказались исключением из этого ужасного правила: они на удивление хорошо себя чувствовали и в подростковом, и во взрослом возрасте. В обоих случаях, как определили ученые, клетки пациентов спонтанно скорректировали мутацию в гене ADA, несущую болезнь, причем эта коррекция не потревожила остальные гены хромосомы[10].

Известны и другие похожие случаи, когда сама природа редактировала геном, избавляя людей от наследственных заболеваний, таких как синдром Вискотта – Олдрича[11] (от этого недуга целых 10–20 % процентов больных спасает именно спонтанная коррекция генома) или болезнь печени под названием тирозинемия[12]. В случае некоторых кожных заболеваний присутствие клеток с отредактированным геномом можно увидеть невооруженным взглядом: при одном из видов ихтиоза, имеющем выразительное название “ихтиоз с конфетти”[13], у больных на коже появляются участки красной, шелушащейся кожи. Клетки в этих местах несут генетическую мутацию, однако клетки окружающих, здоровых участков кожи смогли ее исправить.

Однако в общем и целом шансы на спонтанное излечение от наследственного заболевания минимальны. С большинством пациентов никогда не произойдет такого чуда природы – чтобы гены сами изменились абсолютно правильным образом, именно в нужных клетках и в нужных тканях. Редактирование генома самой природой – это аномалия, интересный медицинский курьез, затронувший небольшое количество пациентов, выигравших в “генетическую лотерею”.

Но что, если бы редактирование генома было не только спонтанным явлением? Что, если бы врачам был доступен какой-нибудь способ корректировать вредоносные мутации, которые вызывают синдромы WHIM, ТКИД, тирозинемию – и, если уж на то пошло, любое наследственное заболевание?

У многих ученых, включая и меня, случаи, подобные истории болезни Ким, вызвали повышенный интерес – не только потому, что они обнаруживали целительную мощь природы, редактирующей геном, но также потому, что они наталкивали на мысль о возможности нового вида медицинского вмешательства: рационального и точно рассчитанного исправления ошибок в геноме. Исправления, которое могло бы устранить неприятные симптомы наследственных заболеваний. Истории этих везучих людей продемонстрировали, что намеренное редактирование генома стало бы возможно, если бы у ученых были нужные генетические данные и необходимые биотехнологические инструменты.

В течение десятилетий, задолго до того, как я посвятила себя этой области знаний, специалисты по медико-биологическим наукам бились над тем, чтобы получить эти данные и разработать такие инструменты. Более того, ученые мечтали о терапевтическом редактировании генома еще до того, как было обнаружено, что сама природа подсказывает, как это можно сделать. Но чтобы сделать такую технологию реальной, исследователям необходимо было понять сам геном: из чего он сделан, как он строится и – что наиболее важно – каким образом можно вносить в него изменения и “настраивать” его. Только обладая подобной базовой информацией, первопроходцы этой научной области и их последователи могли предпринять первые неуверенные шаги по направлению к лечению людей – людей не настолько везучих, как Ким, которой посчастливилось исцелиться самой.

Термин “геном”, предложенный в 1920 году немецким ботаником Гансом Винклером и, возможно, образованный слиянием слов “ген” и “хромосома”, описывает всю совокупность наследственного материала в клетке организма[14]. В большинстве случаев он идентичен в каждой клетке любого организма (за исключением отдельных клеток с мутациями). В геноме содержится информация – инструкции, согласно которым организм любого живого существа растет, поддерживает себя и передает гены потомкам. У одного организма геном вызывает развитие плавников и жабр для движения и дыхания под водой; у другого – рост листьев и выработку хлорофилла для получения энергии из солнечного света. Присущие нам физические черты: зрение, рост, цвет кожи, предрасположенность к недугам и т. д. – соответствуют информации, закодированной в наших геномах.

Геном образуют молекулы, которые называются дезоксирибонуклеиновой кислотой (ДНК) и состоят всего лишь из четырех различных видов структурных элементов – нуклеотидов, тех самых “букв” ДНК: А, Г, Ц и Т. Эти буквы – сокращения названий химических групп, азотистых оснований, которыми нуклеотиды отличаются друг от друга: аденин, гуанин, цитозин и тимин. “Буквы” молекул связаны в длинные одинарные цепочки. Две такие цепочки образуют знакомую нам всем спиральную структуру.

Эта структура чем-то напоминает лесенку, скрученную в длинную двойную спираль. Две цепочки ДНК оборачиваются друг вокруг друга вдоль центральной оси, а сахарофосфатный остов каждой цепи остается на внешней стороне спирали; если продолжить сравнение, можно сказать, что эти элементы как бы образуют перила лестницы. При таком расположении элементов азотистые основания четырех типов оказываются в центре спирали и находятся ближе всего к оси, встречаясь в середине молекулы; это “ступеньки” лестницы. Элегантная черта этой структуры – набор химических взаимодействий, благодаря которым цепочки связаны в каждой ступеньке. Это своего рода “молекулярный клей”: “буква” А с одной цепочки всегда образует пару с “буквой” Т на другой цепочке, а Г – с Ц. Эти пары “букв” называют парами оснований.

Двойная спираль прекрасно демонстрирует молекулярные основы наследственности; именно с помощью этой структуры относительно простое химическое соединение ДНК может при делении клетки передавать генетическую информацию двум дочерним клеткам; таким же образом информация может в дальнейшем распространяться в каждую клетку целого растения или животного. Благодаря тому, что молекула состоит из двух цепочек, и тому, что существуют правила, согласно которым эти цепочки соединяются (А – только с Т, Г – только с Ц), каждая из них представляет собой точный шаблон для соответствующей пары[15].

Структура двойной спирали ДНК

Незадолго до деления клетки две цепочки разделяются ферментом, который “расстегивает” двойную спираль прямо по центру, будто застежку-“молнию”. После этого другие ферменты подбирают новую пару для каждой цепочки, используя те же самые правила для формирования пар оснований, в результате чего образуются две точные копии оригинальной двойной спирали.

Мое собственное знакомство с двойной спиралью ДНК совпало с другим моим открытием: оказывается, ученые способны изучать молекулы, слишком маленькие для того, чтобы их можно было разглядеть даже в самый мощный оптический микроскоп. Мне было около двенадцати, когда я, вернувшись однажды домой из школы, обнаружила на своей постели потрепанную книгу Джеймса Уотсона “Двойная спираль” (мой отец иногда выбирал для меня ту или другую подержанную книгу в букинистическом магазине, чтобы посмотреть, не заинтересует ли она меня). Я подумала, что это какой-то детектив (и так ведь оно и было!), и отложила книгу на несколько недель, прежде чем погрузиться в чтение одним дождливым субботним днем.

Уотсон рассказывал о том, как научное сотрудничество с Фрэнсисом Криком позволило им обоим – используя критически важную информацию, собранную их коллегой Розалинд Франклин, – расшифровать эту простую и красивую молекулярную структуру. Именно тогда я ощутила первую искру интереса, который в конце концов и заставил меня выбрать похожий путь в жизни. (Много лет спустя я смогла резко ускорить собственную научную карьеру, расшифровав некоторые из первых трехмерных структур РНК – куда более сложных!)

В годы, которые последовали за открытием Уотсона и Крика, другие ученые пытались понять, каким образом структура этой молекулы и ее достаточно простые химические составляющие могут кодировать информацию и объяснять многочисленные биологические явления. ДНК похожа на какой-то тайный, зашифрованный язык: каждая последовательность “букв” предоставляет собой инструкцию для образования определенного белка внутри клетки. Затем эти белки выполняют большинство жизненно важных функций в организме, например расщепляют пищу, распознают и уничтожают болезнетворные микроорганизмы, чувствуют свет.

Чтобы превратить инструкции, содержащиеся в ДНК, в белки, клетки используют важнейшую (и близкородственную ДНК) молекулу рибонуклеиновой кислоты (РНК), которая образуется по шаблону ДНК в ходе процесса, который называется транскрипцией. Три “буквы” в РНК совпадают с “буквами” ДНК, однако “буква” Т (тимин) заменена на У (урацил). Кроме того, сахар, образующий остов РНК, содержит на один атом кислорода больше, чем атом сахара в ДНК (потому-то последнюю и называют дезоксирибонуклеиновой кислотой). РНК выступает в качестве передатчика информации от клеточного ядра, в котором находится ДНК, во внешнюю часть клетки, где образуются белки. В этом процессе (он называется трансляцией) клетки используют для создания отдельных молекул белков длинные цепочки РНК, которые образуются с использованием информации с определенных фрагментов ДНК – участков кода, называемых генами. Каждые три “буквы” РНК, поставленные рядом, соответствуют одной аминокислоте (аминокислоты – это “строительные блоки” белков). Гены и соответствующие им белковые продукты отличаются друг от друга последовательностью нуклеотидов (в генах) и аминокислот (в белках). Этот общий поток генетической информации – от ДНК к РНК к белку – известен как центральная догма молекулярной биологии, и именно на этом языке “общается” и выражает себя жизнь.

Размер генома и число генов, содержащихся в нем, сильно различаются у представителей различных царств живого мира. У большинства вирусов, например, всего несколько тысяч “букв” ДНК (или РНК, так как в некоторых вирусных геномах нет ДНК) и небольшое количество генов. Геномы бактерий, с другой стороны, содержат миллионы “букв” и около 4000 генов. В геноме мух около 14 000 генов, распределенных среди сотен миллионов пар оснований ДНК. В человеческом геноме около 3,2 миллиарда “букв” ДНК и около 21 000 генов, кодирующих белки. Любопытно, что размер генома не всегда соответствует сложности организма; геном человека приблизительно такой же длины, как геном мыши или лягушки, где-то в десять раз короче, чем геном саламандры, и более чем в сто раз меньше, чем геномы некоторых растений.

Центральная догма молекулярной биологии[16]

Геномы различных видов живых существ могут иметь совершенно различную структуру. В то время как большинство бактериальных геномов существуют внутри клетки в виде одной непрерывной последовательности ДНК, человеческий геном состоит из 23 отдельных частей, которые называются хромосомами и имеют длину от 50 до 250 миллионов “букв”. Как и клетки большинства млекопитающих, клетки человека обычно содержат две копии каждой хромосомы, одну от отца, другую от матери. Каждый родитель передает ребенку 23 хромосомы, так что всего их получается 46. (Существуют исключения из этого правила; например, у людей с синдромом Дауна есть третья копия 21-й хромосомы.) Полный набор ядерных хромосом может быть найден практически в любой клетке тела (важное исключение – красные кровяные тельца, так как у них нет ядра[17]), однако ДНК хранится не только в ядре. В геном человека также входит отдельная мини-хромосома – она содержит всего 16 000 “букв” ДНК и расположена в митохондриях, “батарейках” клетки, производящих энергию. В отличие от генетического кода других хромосом, митохондриальная ДНК наследуется исключительно по материнской линии[18].

Мутации в любой из 23 пар хромосом или в митохондриальной хромосоме могут вызывать наследственные заболевания. Простейшая мутация называется точечной заменой – в этом случае один нуклеотид заменен на другой, и в результате соответствующий ген будет кодировать дефектный белок. К примеру, серповидноклеточная анемия, наследственное заболевание крови, случается при замене семнадцатой “буквы” гена под названием бета-глобин (с А на Т). При переходе от нуклеотидов к аминокислотам, то есть в ходе трансляции, эта мутация приводит к тому, что глутамат заменяется на валин, причем происходит это в критической области белка гемоглобина – компонента эритроцитов (красных кровяных телец), транспортирующего кислород. Последствия этого крошечного изменения в белке – меняются лишь десять атомов из более чем восьми тысяч – очень серьезны. Мутировавшие молекулы гемоглобина слипаются и образуют аномальные волокна, меняющие форму эритроцитов, что ведет к анемии, повышенному риску инсульта и инфекций, а также к сильной боли в костях.

Серповидноклеточная анемия – пример генетического заболевания, наследуемого по рецессивному типу. Это означает, что болезнь возникает тогда, когда обе копии гена HBB в организме несут мутацию; если изменения есть только в одной копии, то немутировавший ген может произвести достаточно нормального гемоглобина, чтобы нивелировать негативное воздействие мутантного гемоглобина. Люди, у которых лишь одна копия гена HBB мутантная, все равно являются носителями серповидноклеточной анемии, и хотя обычно это не влияет на их здоровье, они все же могут передать дефектный ген потомству.

Другие генетические заболевания наследуются по доминантному типу, что означает, что всего одной мутантной копии гена достаточно, чтобы вызвать болезнь. Один из примеров этого – синдром WHIM, при котором тысячная “буква” гена CXCR4 меняется с Ц на Т; мутировавший ген кодирует гиперактивный белок, который нивелирует работу здорового гена.

И серповидноклеточная анемия, и синдром WHIM – примеры генетических заболеваний, вызываемых простыми точечными заменами (ошибочной подменой одной “буквы” ДНК на другую). Однако генетические заболевания могут быть и результатом вставки (инсерции) или утраты (делеции) фрагментов ДНК. К примеру, нейродегенеративное расстройство, известное как хорея Гентингтона, происходит из-за мутации в гене HTT, в котором одни и те же три “буквы” ДНК повторяются слишком много раз. Это заставляет клетки мозга производить аномальные белки, постепенно разрушающие эти клетки. А вот муковисцидоз (опасное для жизни наследственное заболевание, которое поражает главным образом легкие), напротив, возникает из-за удаления трех “букв” генетического кода в гене CFTR, что приводит к тому, что белок лишается важной аминокислоты и его функционирование нарушается. Другие заболевания возникают, когда участки гена инвертированы (расположены в обратном порядке) или когда фрагменты хромосом или даже целые хромосомы по ошибке удвоены или отсутствуют.

О генетических причинах многих болезней стало известно благодаря относительно недавнему изобретению секвенирования ДНК – процесса, который позволяет ученым прочитывать и записывать содержимое генома человека “буква за буквой”. После того как в 1970-х годах появились первые методы секвенирования, ученые начали кропотливо искать и идентифицировать генетические причины наиболее известных на тот момент наследственных заболеваний. “Квантовый скачок” в этой области произошел, когда был осуществлен проект “Геном человека”, начавшийся в 1990-х годах, когда ученые со всего мира объединились, чтобы отсеквенировать весь геном человека. При выполнении этой амбициозной задачи была использована новая технология, которая позволяла клонировать большие фрагменты ДНК человека в дрожжах. Реализации проекта также способствовали значительный прогресс в автоматизации лабораторных процессов и разработка сложных вычислительных алгоритмов для облегчения анализа данных, полученных при секвенировании. Проект стоил огромных усилий и средств (около 3 миллиардов долларов), и в 2001 году был опубликован первый “черновой вариант” генома.

С момента завершения проекта “Геном человека” процесс секвенирования ДНК и секвенирования целых геномов стал удивительно быстрым, дешевым и эффективным. Ученые точно идентифицировали более четырех тысяч различных мутаций, способных вызывать генетические заболевания. Секвенирование ДНК помогает выявить повышенный риск развития некоторых видов рака, подбирать индивидуальные методики лечения для пациентов с различной наследственностью. Сегодня коммерческий анализ ДНК стал общедоступным: он стоит лишь несколько сотен долларов за каждый тест, и миллионы людей решили сделать анализ собственных геномов, для чего им нужно было лишь предоставить образец слюны. Последовало значительное увеличение объема данных о человеческом геноме, что помогло исследователям выявить важные связи между тысячами вариантов генов и рядом физических и поведенческих черт.

И все же, несмотря на то что секвенирование генома отражает огромный прогресс в изучении наследственных недугов, это в конечном счете лишь диагностический инструмент, но не средство для их лечения. Оно помогло нам увидеть, как наследственные заболевания записываются на языке ДНК, однако секвенирование не дает нам никаких возможностей для изменения этого языка. В конце концов, научиться читать – далеко не то же самое, что научиться писать. Для этого ученым нужен совершенно другой набор инструментов.

Исследователи мечтали о связанных с ДНК методах лечения с тех пор, как было открыто существование генетических заболеваний. Когда некоторые ученые только начинали определять основополагающие причины наследственных заболеваний, другие уже находились в напряженном поиске новых методов лечения этих недугов – методов, которые позволили бы не только давать пациентам препараты, временно смягчающие нежелательные эффекты генной мутации, но и исправлять сам мутировавший ген, чтобы навсегда остановить болезнь. Приведу пример: серповидноклеточная анемия лечится сегодня при помощи частых переливаний крови, использования препарата гидроксикарбамида и пересадки костного мозга. Разве не лучше было бы атаковать саму мутацию ДНК, вызвавшую заболевание?

Пионеры исследований в этой области знали, что лучшим решением для лечения наследственных заболеваний было бы исправление дефектного гена – то есть целенаправленно проделать то же самое, что природа сделала случайно, исцелив Ким и других везучих пациентов вроде нее. Однако идея лечения наследственных недугов посредством переписывания мутантного генетического кода казалась фантастической – нечто поиска иголки в стоге сена, а потом вытаскивания ее из этого стога, причем нельзя было задеть при этом ни одной соломинки. Но вместе с тем ученые подозревали, что похожих изменений можно было бы добиться, добавляя целые замещающие гены в поврежденные клетки. Вопрос состоял в том, каким образом доставить этот ценный груз в нездоровый геном.

Зная о том, что вирусы обладают необычной способностью “вклеивать” новую генетическую информацию в ДНК бактериальных клеток, пионеры исследований генной терапии поняли, что вирусы можно использовать для доставки “лечебных генов” людям. Первые опыты подобного рода были проведены в конце 1960-х годов американским врачом Стэнфилдом Роджерсом – он изучал папилломавирус Шоупа, вызывающий вырастания на коже у кроликов. Роджерса особенно заинтересовала одна особенность этого вируса: в телах зараженных кроликов вырабатывалось слишком много аргиназы – фермента, нейтрализующего вредную аминокислоту аргинин[19]. В организмах больных кроликов было гораздо больше аргиназы и меньше аргинина, чем у здоровых животных. Кроме того, Роджерс обнаружил, что у исследователей, работавших с вирусом, уровень аргинина в крови также был ниже нормы. Видимо, эти ученые подхватили вирус от кроликов, и эта инфекция вызвала долгосрочные изменения также и в их телах.

Роджерс начал подозревать, что вирус Шоупа доставлял в клетки ген, ответственный за повышенную выработку аргиназы. Он удивился, что вирус способен переносить генетическую информацию столь эффективно, и задался вопросом: а смогла бы специально сконструированная версия вируса доставлять в клетки другие, полезные гены? Много лет спустя Роджерс вспоминал: “Было ясно, что в поисках болезни мы открыли средство лечения!”[20]

Ему не пришлось долго ждать случая, чтобы протестировать свою теорию на реальных пациентах. Спустя всего несколько лет у двух девочек из Германии было диагностировано наследственное расстройство под названием гипераргининемия. Как и у кроликов, инфицированных папилломавирусом Шоупа, у пациенток были аномальные уровни аргинина в крови – однако на этот раз не пониженные, а слишком высокие. Ген, ответственный за производство аргиназы (как подозревал Роджерс, именно этот ген переносился вирусом Шоупа), в организмах девочек либо отсутствовал, либо мутировал.

Симптомы гипераргининемии ужасны: в их числе постепенно усиливающиеся спазмы, эпилепсия и серьезная умственная отсталость. Однако был шанс, что вмешательство на ранней стадии, особенно в случае младшей пациентки, могло предотвратить наиболее тяжелые последствия заболевания. Роджерс и его немецкие коллеги ввели девочкам вирус Шоупа в терапевтических целях, сделав инъекцию больших доз очищенного вируса кроликов прямо в кровоток.

К сожалению, экспериментальная генная терапия Роджерса обернулась разочарованием – и не только для него, но и, что более печально, для его пациентов и их семьи. Инъекции не оказали почти никакого воздействия ни на одну из девочек, а Роджерса массово порицали за процедуру, которую многие его коллеги сочли безрассудной и непродуманной[21]. Дальнейшее исследование показало, что вопреки предположениям Роджерса в вирусе Шоупа даже не содержалось гена аргиназы[22], поэтому он не мог никак быть полезен для лечения гипераргининемии.

Хотя Роджерс больше никогда не предпринимал попыток провести генную терапию, его идея об использовании вирусов в качестве средства доставки генов в клетки – ученые называют такие средства векторами – произвела революцию в биологии. Эксперимент не удался, однако общий принцип Роджерса оказался верным, и перенос генов при помощи вирусов до сих пор является одним из наиболее эффективных известных способов вставки генов в геном клетки – и, следовательно, изменения генетического кода живых организмов.

Вирусы эффективны в качестве векторов благодаря нескольким своим характерным особенностям. Начать с того, что в результате своей эволюции вирусы научились невероятно эффективно проникать в клетки любого типа. С тех пор как на Земле существует жизнь, организмам всех царств – бактериям, растениям, животным и т. д. – приходилось бороться с паразитическими вирусами, единственной целью которых является “взлом” клетки и вставка в нее собственной ДНК, чтобы эта клетка вырабатывала множество новых копий вирусных частиц. На протяжении тысячелетий эволюции вирусы выработали способность использовать практически любое слабое место в клеточной защитной системе и усовершенствовали стратегии “доставки” своего генетического груза внутрь клетки. Вирусные векторы поразительно надежны в качестве инструмента; работающие с ними исследователи могут доставить гены в необходимые клетки с практически стопроцентной эффективностью. Для ученых, которые первыми использовали этот вид терапии, вирусные векторы были чем-то вроде троянского коня.

Вирусы способны не только переносить свою ДНК внутрь клетки, но и обеспечивать ее сохранение там. В 1920–1930-е годы, на заре генетических экспериментов на бактериях, ученые недоумевали по поводу способности бактериальных вирусов возникать словно из ниоткуда и вызывать инфекции. Дальнейшие исследования показали, что эти вирусы могут вносить свой геном в бактериальную хромосому и таиться там до тех пор, пока условия не станут подходящими для интенсивного инфицирования. Ретровирусы – большой класс вирусов, к которым относится, например, вирус иммунодефицита человека (ВИЧ), – проделывают то же самое в организме человека, внося свой генетический материал в геном инфицированных клеток. Из-за этого вредоносного свойства уничтожить ретровирусы чрезвычайно сложно, и они сумели оставить огромный след в наследственности нашего вида. Целых 8 % генома человека – около 250 миллионов “букв” ДНК – это наследие древних ретровирусов, которые поражали наших предков много тысячелетий назад.

Генная терапия с использованием вирусных векторов

За первыми попытками генной терапии в 1960-х последовало быстрое развитие этой научной области, которое происходило благодаря революционной разработке, известной как рекомбинантная ДНК, – это собирательный термин для генетического кода, искусственно созданного в лаборатории. Используя новые биотехнологические инструменты и новые биохимические методы, ученые в 1970-х и 1980-х годах научились вырезать и вставлять фрагменты ДНК в геномы и выделять заданные последовательности генов. Это позволило им вставлять “лечебные” гены в вирусы и удалять опасные гены таким образом, что вирусы больше не вредили инфицированным клеткам. Ученые фактически превратили эти вирусы в нечто вроде тихих снарядов, предназначенных для того, чтобы доставить свой генетический заряд точно в нужную цель – и никуда более.

К концу 1980-х были проведены эксперименты на мышах, и в ходе этих экспериментов перенастроенные ретровирусы успешно вставляли произведенные в лаборатории гены в ДНК животных; теперь предстояло испытать генную терапию в клинических условиях. В это время я работала в Гарварде, проводила там исследования для своей докторской диссертации по биохимии; я помню, как мы с коллегами по лаборатории обсуждали новость о том, что Френч Андерсон и его коллеги из Национальных институтов здравоохранения первыми смогли провести клинические испытания. Они разработали многообещающий вектор, снабженный здоровой копией гена ADA (аденозиндезаминазы). Из-за мутации этого гена возникает недостаточность аденозиндезаминазы – формы ТКИД (тяжелого комбинированного иммунодефицита). Команда Андерсона хотела использовать генную терапию для того, чтобы навсегда включить здоровый ген ADA в состав кровяных телец пациентов, страдающих от ТКИД, – таким образом, чтобы эти клетки смогли вырабатывать недостающий белок. Андерсон и его коллеги надеялись, что это приведет к излечению от болезни.

К сожалению, результаты этого первого клинического испытания оказались не вполне ясными; перестроенный вирус вроде бы не причинил вреда ни одному из двух пациентов, которые его получили, однако и эффективность метода было трудно определить. К примеру, после проведения этой процедуры у обоих пациентов увеличилось количество жизнеспособных иммунных клеток – однако это улучшение могло быть вызвано и другими средствами, которые больные принимали параллельно с проведением генной терапии. Более того, в реальности лишь очень небольшое число клеток получило здоровый ген ADA, а это означало, что вирус, вероятно, не настолько эффективен в качестве средства доставки генов, как надеялись ученые.

Однако за три десятилетия, прошедших со времени этого первого и не слишком убедительного опыта, в области генной терапии происходил феноменальный прогресс. Усовершенствования в конструировании вирусных векторов и методов их доставки в клетки привело к чрезвычайно воодушевляющим результатам генной терапии ADA у десятков больных ТКИД, и коммерческий препарат под названием стримвелис, скорее всего, скоро будет одобрен экспертами[23].

По состоянию на 2016 год было проведено около 2000 испытаний различных видов генной терапии, и список недугов, поддающихся лечению этим методом, значительно расширился: теперь он включает такие моногенные наследственные заболевания, как муковисцидоз, миодистрофия Дюшенна, гемофилия, некоторые виды слепоты, а также все большее число различных сердечно-сосудистых и неврологических недугов. А перспективный метод иммунотерапии рака – при котором клетки, сражающиеся с опухолью, “заряжаются” генами, нацеленными на специфичные для опухолей молекулы, – был назван одним из самых многообещающих прорывов в онкологии и подтверждением того, что генная терапия еще много чего может предложить медицине.

Но, несмотря на шумиху, генная терапия пока не стала панацеей, как надеялись ученые и медики; напротив, в некоторых случаях она, кажется, принесла больше вреда, чем пользы. Тяжелый удар по этой области нанес 1999 год, когда один пациент умер после мощного иммунного ответа его организма на большую дозу вирусного вектора. В то время я преподавала в Йельском университете и была полностью погружена в исследования способа, которым вирусные молекулы РНК “взламывают” белоксинтезирующие системы в клетках. Хотя область моих исследований не слишком пересекалась с генной терапией, новости об этом катастрофическом исходе расстроили меня и одновременно заставили более целеустремленно работать над тем, чтобы лучше понимать устройство вирусов и клеток.

Позже, уже в начале 2000-х, у пяти пациентов, которым проводили генную терапию сцепленного с X-хромосомой ТКИД, развилась лейкемия – рак красного костного мозга. Это произошло из-за того, что ретровирус ошибочно активировал некий онкоген (один из генов, вызывающих рак), и это привело к неконтролируемому размножению клеток. Этот инцидент подчеркнул неотъемлемый риск, присущий методу, при котором пациентам вводятся большие количества чужеродного агента, а в их геномы случайно встраиваются несколько тысяч “букв” ДНК. Я помню, как тогда подумала, что эта область клинических исследований, в принципе столь многообещающая, может оказаться неприемлемо рискованной.

Кроме того, генная терапия по своей сути неэффективна для широкого ряда генетических заболеваний, которые не вызваны отсутствием или мутацией генов. Такие заболевания не могут быть исправлены простым добавлением новых генов в клетки. Возьмем, к примеру, хорею Гентингтона, при которой измененный ген вырабатывает белок аномального строения и действие этого гена полностью нивелирует действие другого, здорового. Так как мутантный ген доминирует над нормальным, простая генная терапия – то есть добавление еще одной нормальной копии гена с помощью специально видоизмененного вируса – никак не поможет в случае хореи Гентингтона или других заболеваний, наследуемых по доминантному типу.

В таких (и подобных) случаях врачам придется найти способ “починить” проблемные гены, а не просто заменить их. И если бы они научились восстанавливать дефектный код, вызывающий расстройства, то научились бы лечить как рецессивные, так и доминантные наследственные заболевания, не боясь при этом добавить ген не туда, куда следует.

Эта возможность интриговала меня с самого начала карьеры. В начале 1990-х, уже получив степень доктора философии[24] в Гарвардском университете, я в течение многих вечеров обсуждала эту идею с коллегами по лаборатории в Колорадском университете в Боулдере, где я была постдоком[25]. В те дни мы с моим другом и коллегой Брюсом Салленджером спорили обо всем подряд – от президентских выборов 1992 года (мне нравился Пол Цонгас, а Брюсу – Билл Клинтон) до различных стратегий генной терапии. Один из вопросов, который мы обсуждали, был таким: возможно ли отредактировать молекулы РНК – то самое связующее звено между ДНК и белком в клетке – таким образом, чтобы исправить мутации, которые эти молекулы “наследовали” от ДНК? Помимо всего прочего, это была тема исследовательского проекта Брюса. Иногда мы также обсуждали другую возможность: редактирование “исходного кода” таких дефектных РНК – то есть самой ДНК генома. Мы оба считали, что этот метод изменил бы все. Вопрос состоял лишь в том, удастся ли когда-нибудь воплотить эту идею в действительность.

На протяжении 1980-х, в то время как некоторые исследователи оттачивали методы переноса генов с использованием вирусов, другие искали более простые пути трансформации клеток млекопитающих, используя ДНК, изготовленную в лаборатории. Эти базовые методы предназначались прежде всего для фундаментальной науки, но со временем ученые начали также исследовать их потенциал для лечения клеток человека.

У этих подходов было несколько ключевых преимуществ перед более сложными техниками переноса генов. Прежде всего они были гораздо более быстрыми; вместо того чтобы “упаковывать” гены в перенастроенные вирусы, ученые могли вводить созданную в лаборатории ДНК напрямую в клетки или делать так, чтобы клетки сами поглотили ее: для этого последние погружались в специально приготовленную смесь ДНК и фосфата кальция. Во-вторых, хотя в этих более простых методах и не применялось встраивание новых генов в геномы клеток при помощи вируса, клетки могли объединять чужеродную ДНК со своей собственной – пусть и не слишком эффективно.

Мыши часто становились первыми подопытными животными, на которых тестировались эти техники, и ученые поражались тому, насколько эффективными оказывались такие методы применительно к маленьким созданиям. Вводя новую ДНК в оплодотворенные яйцеклетки мышей и затем имплантируя эти яйцеклетки в женские особи, исследователи обнаружили, что они могли перманентно встроить чужеродную ДНК в геномы представителей следующего поколения и вызвать наблюдаемые изменения в развивающихся животных. Эти достижения означали, что любой ген, который ученые были способны изолировать и клонировать в лаборатории, можно было попробовать ввести в клетку и изучить его поведение там; добавляя этот ген в клетки, ученые могли наблюдать его воздействие на организм и лучше понять его функции. Хотя моя научная работа в то время была в основном посвящена формам и функциям молекул РНК, я осознавала, что потенциальные последствия этих открытий были огромны.

Вопрос состоял в следующем: каким именно образом ДНК находит путь к геному? Марио Капекки, профессор университета Юты, пытался ответить на этот вопрос в начале 1980-х, сделав одно необъяснимое наблюдение: когда в один геном “подселяли” сразу много копий какого-нибудь гена, эти копии интегрировались в геном вовсе не беспорядочно, как этого можно было бы ожидать, а прямо наоборот. Капекки обнаружил, что копии гена, вместо того чтобы распределяться хаотическим образом по разным хромосомам генома, всегда собирались вместе в одной или немногих областях, при этом многие копии накладывались друг на друга, как будто их так собрали таким образом умышленно. Впоследствии ученый установил, что именно так оно и было[26].

Капекки наблюдал результаты процесса, называемого гомологичной рекомбинацией, – в тот момент это был уже хорошо известный феномен, однако ученый не ожидал наткнуться на него в этом эксперименте. Наиболее известный пример гомологичной рекомбинации – происходящая во время формирования яйцеклеток и сперматозоидов редукция каждого двойного набора хромосом (половину которого мы получили от матери, а половину от отца) до одинарного, который затем объединится со вторым таким же набором (у другого партнера) в ходе полового размножения[27]. В этом процессе избавления от “лишнего” клетки выбирают смесь отцовских и материнских хромосом; каждая пара хромосом вступает в своего рода половой акт, обмениваясь крупными фрагментами ДНК таким образом, что генетическое разнообразие в пределах одной хромосомы увеличивается. Несмотря на головоломную сложность смешивания, сопоставления и пересборки цепей из миллионов “букв” ДНК, клетки могут выполнять эти задачи безупречно именно благодаря процессу гомологичной рекомбинации. Тот же процесс происходит во всех царствах живых существ: к примеру, бактерии с его помощью обмениваются генетической информацией, а биологи пользуются преимуществами гомологичной рекомбинации для проведения генетических экспериментов на дрожжах в течение многих лет.

Тем не менее открытие того факта, что клеткам лабораторных млекопитающих также свойственно явление гомологичной рекомбинации, имело огромное значение. Марио Капекки писал в конце своей статьи 1982 года:

Будет интересно определить, сможем ли мы использовать [вовлеченные в процесс ферменты], чтобы путем гомологичной рекомбинации направленно воздействовать на гены, расположенные в определенных участках хромосом[28].

Другими словами, гомологичная рекомбинация позволяет ученым с безупречной точностью вставлять гены в подходящие места генома – а это поразительное усовершенствование по сравнению со случайной вставкой генов с помощью вирусов. И, что еще важнее, гомологичная рекомбинация может дать ученым возможность “переписывать” дефектные гены, помещая здоровые гены прямо в то место, где произошла мутация.

Спустя всего три года после экспериментов Капекки эта возможность воплотилась в реальность в примечательной научной работе, статью о которой опубликовал Оливер Смитис с коллегами. Работая с человеческими клетками, взятыми из опухолей мочевого пузыря, ученые поставили перед собой задачу заменить “доморощенные” копии гена бета-глобина в клетках на искусственные рекомбинантные версии, сконструированные в лаборатории. Невероятно, но это сработало[29]. Ученым не пришлось использовать никаких необычных трюков – они просто смешали ДНК с фосфатом кальция и опрыскали клетки полученной смесью – некоторые из клеток поглотили чужеродную ДНК, создали пары из разработанных в лаборатории цепочек ДНК и собственных подходящих последовательностей в геноме, а затем посредством некоторой “молекулярной гимнастики” заменили старые на новые.

Казалось, клетки могут проделывать большую часть сложной работы по модификации собственных геномов без посторонней помощи. Это означало, что ученые могли доставлять гены более мягким способом, не используя вирусы для “запихивания” новой ДНК в геном. Заставляя клетки “думать”, что рекомбинантная ДНК была лишь дополнительной хромосомой, которой нужно найти пару с подходящим геном, уже имеющимся в геноме, ученые могли гарантировать, что новая ДНК соединялась с изначально находящейся в клетке посредством гомологичной рекомбинации.

Ученые назвали этот новый подход к манипуляции с генами направленным воздействием на гены. Сегодня этот метод известен под другим именем: редактирование генома.

Потенциал этой технологии для генетических исследований был невероятно заманчив. Однако Смитис знал, что гомологичная рекомбинация может быть также использована и в качестве терапии. Если бы ученые смогли провести аналогичное направленное воздействие на гены в стволовых клетках пациентов, страдающих от серповидноклеточной анемии, то мутировавший ген бета-глобина можно было бы заменить на нормальную, здоровую последовательность. Открытие Смитиса было сделано в рамках экспериментального подхода, однако в один прекрасный день оно потенциально могло быть использовано для лечения заболеваний.

Другие лаборатории также вступили в конкуренцию за усовершенствование этой техники направленного воздействия на гены. Одной из них была лаборатория Капекки. В 1986-м, когда я была на втором курсе магистратуры, он показал, что гомологичная рекомбинация достаточно точна для того, чтобы исправлять даже точечные мутации в геноме и корректировать недостаточность ферментов в клетках[30]. Два года спустя Капекки предложил общую стратегию направленного воздействия на любой ген с известной последовательностью нуклеотидов в любом геноме. Он также предположил, что гомологичную рекомбинацию можно использовать не только для исправления и “ремонта” генов, но и для их инактивации в исследовательских целях[31]; “выключая” гены и наблюдая, что получится в результате, ученые могли определять функции этих генов.

Редактирование генома посредством гомологичной рекомбинации

К тому времени как я завершила работу над своей диссертацией на соискание степени доктора философии в конце 1980-х, направленное воздействие на гены широко применялось для редактирования ДНК в культурах клеток мышей и человека и даже в живых мышах. Важная работа, проведенная в лаборатории Мартина Эванса, продемонстрировала, что, направленно воздействуя на гены в эмбриональных стволовых клетках мышей и затем вводя эти измененные стволовые клетки обратно в мышиные эмбрионы, ученые могут создавать живых мышей с “дизайнерскими” изменениями. Важнейшие открытия, совершенные Капекки, Смитисом и Эвансом, впоследствии, в 2007 году, были удостоены Нобелевской премии по физиологии или медицине.

Впрочем, несмотря на свой колоссальный потенциал, редактирование генома поначалу больше подходило для фундаментальных исследований, чем для применения в лечении заболеваний у человека. Для ученых, исследующих генетику млекопитающих и пытающихся найти способы, которыми можно было бы выявить функции различных генов, метод направленного воздействия на гены в корне менял все. Однако исследователи-медики с настороженностью относились к использованию этого метода на людях, поскольку, несмотря на весь свой потенциал, гомологичная рекомбинация совсем не оправдывала ожиданий в том, что касалось лечения.

Возможно, самым важным сдерживающим фактором была проблема негомологичной (или незаконной) рекомбинации, при которой новая ДНК интегрируется в геном случайным образом, вместо того чтобы оказаться точно у подходящей последовательности. Фактически незаконная рекомбинация, похоже, происходила почти в сто раз чаще гомологичной, и, естественно, терапевтические перспективы технологии, которая могла исправить мутировавший ген лишь в 1 % измененных клеток, а в геном остальных 99 % “вклеивала” ДНК как попало, не выглядели слишком многообещающими. Ученые разрабатывали различные изящные пути обхода этой проблемы в клеточных культурах и не теряли надежду на то, что в будущем метод удастся применить в медицине. Как заявил Капекки в начале 1990-х, “в конце концов, гомологичная рекомбинация – единственный потенциально возможный метод генной терапии человека”[32]. Однако в то время казалось, что редактирование генома – просто недостаточно совершенная технология для того, чтобы применять ее на людях.

В начале 1980-х, пока другие ученые были поглощены мыслями о направленном воздействии на гены в клетках человека, Джек Шостак пытался разобраться в процессе клеточного деления у дрожжей. Шостак был профессором Гарвардской медицинской школы (и затем моим научным руководителем в работе над докторской диссертацией), и его занимал фундаментальный вопрос: как вообще возможны направленное воздействие на гены и гомологичная рекомбинация? В частности, Шостак хотел понять, каким образом две цепочки ДНК из одной хромосомы могут объединяться с двумя соответствующими цепочками ДНК из второй хромосомы, обмениваться информацией, слившись на время некой промежуточной стадии, и затем разделяться вновь, заново образуя отдельные хромосомы после деления клетки.

В 1983 году, когда я все еще была студенткой Помона-колледжа в Калифорнии, Шостак на другом конце страны решил, что нашел ответ. Основываясь на результатах экспериментов по генетике дрожжей, он и его магистрантка Терри Орр-Вивер вместе с профессорами Родни Ротштайном и Фрэнком Сталем обнародовали смелую модель[33], согласно которой провоцирующим фактором – сигналом, запускающим процесс гомологичной рекомбинации, – было разрезание одной из двух хромосом, что приводило к двуцепочечному разрыву ДНК. Согласно этой модели, двуцепочечный разрыв и освободившиеся концы ДНК на месте разрыва были особенно подвержены слиянию, а располагающиеся по бокам их последовательности с гораздо большей вероятностью могли быть вовлечены в обмен генетической информацией с соответствующей хромосомой (или, в случае редактирования генома, – с соответствующей ДНК, которую предоставлял исследователь).

К тому времени как я пришла в лабораторию Шостака в 1986 году, он уже сменил центральную повестку своих исследований на изучение роли молекул РНК на начальных этапах эволюции жизни на Земле. Однако в лаборатории мы с коллегами обсуждали модель двуцепочечных разрывов, ее изящество и тот неприкрытый скепсис, с которым она была встречена в научном сообществе. Но с течением времени становилось все яснее, что эта модель согласуется с большим количеством экспериментальных данных. Механизм репарации двуцепочечных разрывов казался логичным не только в случае процесса гомологичной рекомбинации при формировании яйцеклеток и сперматозоидов, но и при рекомбинации, происходящей каждый раз, когда была повреждена ДНК. Все клетки подвержены разрушительным для ДНК воздействиям, будь то рентгеновское излучение или канцерогены, и надо отметить, что клетки весьма эффективно справляются с репарацией таких разрывов, не теряя при этом генетической информации. Согласно модели Шостака, этот процесс репарации зависел от возможности хромосом обмениваться фрагментами посредством гомологичной рекомбинации, и именно поэтому наличие двух копий хромосом является выгодной эволюционной стратегией. Любое повреждение одной из хромосом можно репарировать, просто скопировав соответствующую последовательность со второй хромосомы.

Если модель двуцепочечных разрывов верна и выводы, полученные на дрожжах, справедливы и для млекопитающих, возникает очевидная возможность улучшить эффективность редактирования генома: сделать надрез в ДНК в точности в том месте, где необходимо провести редактирование. Если предстоит заменить дефектный ген в геноме на исправленную копию, созданную в лаборатории, то сначала нужно понять, как разрезать дефектный ген, вызвав локальный двуцепочечный разрыв в ДНК, – а затем добавить исправленную копию гена. Клетка, “почувствовав” разрыв, попыталась бы восстановить повреждение, начав поиск соответствующей хромосомы для копирования, – тут-то ученые и “подсунули” бы ей синтезированный ген. По сути дела, можно было заставить клетку “подумать”, что повреждение ее ДНК произошло по естественным причинам, и предоставить ей новый фрагмент ДНК под видом второй хромосомы, которую клетка могла бы использовать для репарации поврежденного участка.

В 1994 году исследователи из лаборатории Марии Джесин в Мемориальном онкологическом центре имени Слоуна – Кеттеринга (Нью-Йорк) стали первыми, кому удалось “обмануть” таким образом клетки млекопитающих, – об этом прорыве я читала с большим интересом, находясь неподалеку, в Нью-Хейвене, куда я только что приехала после завершения работы постдоком в Боулдере. Мне было чрезвычайно интересно узнать об этой важной работе, которая была основана на предложенной моим научным руководителем модели двуцепочечных разрывов и выполнена исследовательницей, которая, как и я, была увлечена молекулами жизни.

Эксперименты по редактированию генома, проведенные Джесин, были оригинальными и новаторскими. Ее стратегия заключалась в введении в мышиные клетки ферментов, разрезающих геном и создающих двуцепочечные разрывы; одновременно с этим она добавляла в клетки фрагменты синтезированной ДНК (шаблоны для репарации), соответствующие разрезанной последовательности ДНК. Затем исследовательница проверяла, получилось ли у мышиных клеток восстановить поврежденную ДНК с помощью вставки шаблона для репарации. Проводя этот же самый эксперимент с добавлением фермента и без него, Джесин смогла проверить свою гипотезу, что искусственно созданный двуцепочечный разрыв повышал эффективность гомологичной рекомбинации.

Сложность заключалась в том, чтобы подобрать подходящий фермент, разрезающий геном только в одном определенном месте из миллиардов возможных вариантов. Чтобы решить эту проблему, Джесин остроумно позаимствовала часть молекулярного механизма из дрожжей: эндонуклеазу I-SceI[34].

Нуклеазы – это ферменты, разрезающие нуклеиновые кислоты; одни режут РНК, другие – ДНК. Эндонуклеаза делает “надрез” где-то внутри цепочек, в отличие от экзонуклеаз, которые работают исключительно с концами цепочек. Некоторые эндонуклеазы чрезвычайно губительны для клеток, поскольку они “режут” практически любой фрагмент ДНК, который встречается им на пути, вне зависимости от последовательности нуклеотидов в нем. Другие эндонуклеазы действуют очень специфично и разрезают только строго определенные последовательности; а большинство ведет себя как нечто среднее между первыми и вторыми.

Эндонуклеаза I-SceI, которую выбрала Джесин, была одной из наиболее специфических эндонуклеаз, известных к тому времени: фрагмент ДНК должен был содержать определенную последовательность из восемнадцати нуклеотидов, чтобы фермент сделал в нем разрез. Использование высокоспецифичной эндонуклеазы было критически важно: если бы Джесин выбрала слишком “неразборчивый” фермент, он бы “порезал” геном как попало, и это не только сделало бы результаты более сложными для интерпретации, но и, вероятно, повредило бы клетку. Однако, обладая специфичностью к восемнадцатибуквенной последовательности ДНК, I-SceI разрезает только один фрагмент ДНК из более чем пятидесяти миллиардов возможных комбинаций. (По иронии судьбы, в мышином геноме нет подходящей последовательности из восемнадцати “букв”, поэтому, прежде чем приступить к своему эксперименту, Джесин пришлось добавить копию этой последовательности в ДНК мышей – чтобы ферменту было что резать.)

Результаты эксперимента Джесин[35] были потрясающими. Она добилась того, что точная репарация мутировавшего гена посредством гомологичной рекомбинации прошла в целых 10 % клеток; сейчас эта эффективность может показаться не слишком высокой, однако это было в сотни раз лучше, чем у лучших из достигнутых к тому времени результатов. На тот момент это было наиболее многообещающее свидетельство того, что гомологичная рекомбинация может рано или поздно позволить ученым переписывать генетический код без риска незаконной рекомбинации или риска случайного встраивания в геном различных последовательностей при использовании ретровирусных векторов. Стоит лишь инициировать двуцепочечный разрыв в нужном месте – и фактически все остальное клетки сделают сами.

Имелась только одна проблема: чтобы этот подход можно было практически использовать, нужно было научиться разрезать геном в строго заданных местах. В эксперименте Джесин для проверки правильности идеи последовательность, которую распознавала эндонуклеаза I-SceI, была искусственно добавлена в геном перед введением нуклеазы, однако последовательности многих болезнетворных генов, скажем так, незыблемы: их невозможно изменить таким образом, чтобы они “пришлись по вкусу” тому или иному придирчивому ферменту. После разрыва геном легко восстанавливался и включал в себя новую генетическую информацию – хитрость была в том, чтобы понять, как сделать разрыв в нужном месте.

Начиная с середины 1990-х, пока я разбиралась со структурами молекул РНК с их уникальным биохимическим поведением, другие ученые спешили разработать новые системы, которые, подобно I-SceI, могли бы направленно действовать на конкретные последовательности ДНК. Тот, кому удалось бы решить эту проблему, смог бы раскрыть весь потенциал редактирования генома.

К этим технологиям нового поколения предъявлялось три критически важных требования: они должны были распознавать определенную выбранную последовательность ДНК; уметь разрезать эту последовательность и легко подвергаться перепрограммированию, для того чтобы атаковать различные последовательности ДНК и инициировать их разрыв. Первые два условия были необходимы для создания двуцепочечных разрывов, а третье – для того, чтобы этот инструмент был максимально универсален. I-SceI превосходно отвечала двум первым критериям, однако совершенно не соответствовала третьему. Биоинженеры поняли: чтобы создать программируемую систему разрезания ДНК, нужно либо перестроить I-SceI таким образом, чтобы она могла атаковать разные последовательности, либо найти совершенно новую нуклеазу, которая уже “научилась” разрезать самые различные последовательности ДНК.

Попытки ученых видоизменить I-SceI не достигли цели (что и неудивительно, учитывая крайне сложное молекулярное устройство белков-ферментов), и вскоре стало ясно, что поиск других природных нуклеаз – гораздо более перспективный подход. Фактически, к тому моменту, когда Джесин вела свои эксперименты с I-SceI, ученые уже выделили десятки нуклеаз из целого ряда организмов и установили конкретные последовательности ДНК, служившие мишенями для этих ферментов. Однако существовала фундаментальная проблема: подавляющее большинство ферментов распознавали последовательности длиной лишь в 6 или 8 “букв” – то есть слишком короткие для того, чтобы с таким ферментом можно было работать. В геноме человека подобные последовательности встречаются десятки или даже сотни тысяч раз, и это означает, что, даже если нуклеаза способна стимулировать гомологичную рекомбинацию в одном гене, она в процессе может “порубить” почти весь геном. Клетка была бы разрушена еще до того, как у нее появится какой-либо шанс начать репарацию ДНК.

Исследователи не могли положиться ни на одну из ранее открытых нуклеаз, а поиск нового фермента, подобного I-SceI, для каждой новой попытки редактирования генома – задача совершенно неосуществимая. Если вы хотите превратить терапевтическое редактирование генома в эффективную технологию исправления болезнетворных мутаций, то медики не могут в каждом случае ждать, пока вы обнаружите нуклеазу, которая бы избирательно действовала именно на тот участок заданного гена, в котором у конкретного пациента вредоносная мутация. Вам необходима возможность “взять с полки” подходящую нуклеазу из уже открытых – или по крайней мере технология, позволяющая создавать нужные нуклеазы по мере необходимости.

Революционное исследование, предложившее решение этой проблемы, было проведено в 1996 году, хотя я тогда о нем не знала. Шринивасан Чандрасекаран, профессор из Университета Джонса Хопкинса, понял, что вместо создания нуклеаз “с нуля”, поиска новых в природе или переделывания I-SceI можно избрать смешанный подход: выбирать фрагменты существующих белков и комбинировать их. Такие химерные нуклеазы отвечали бы двум первым требованиям к редактирующей геном нуклеазе: они были бы способны распознавать определенную выбранную последовательность ДНК и делать в ней разрез.

Чандрасекаран решил собрать химерную нуклеазу из фрагментов двух встречающихся в природе белков, которые отлично справлялись с распознаванием и разрезанием последовательностей ДНК соответственно. Для разрезания Чандрасекаран выбрал участок бактериальной нуклеазы под названием FokI, который мог инициировать разрывы в ДНК, но не обладал предпочтениями к каким-либо последовательностям. А для “нацеливания” он приспособил повсеместно распространенные натуральные белки с цинковыми пальцами (ZFN), названные так потому, что они распознают ДНК, используя похожие на пальцы структуры, связанные ионами цинка и расположенные рядом друг с другом подобно пальцам на руке. Так как эти белки с цинковыми пальцами состоят из многократно повторяющихся, тандемно расположенных участков и каждый участок распознает определенную последовательность из трех “букв” ДНК, казалось вероятным, что ученые могут видоизменить эти белки, комбинируя фрагменты по-разному, чтобы они распознавали различные последовательности ДНК.

Удивительно, но химерная нуклеаза, судя по всему, сработала[36]. Соединив “режущий” фрагмент FokI с распознающим ДНК участком белка с цинковыми пальцами, команда Чандрасекарана продемонстрировала, что искусственно составленная нуклеаза распознавала и резала именно ту ДНК, что ожидали ученые, – даже несмотря на то, что они смешали два белковых компонента из совершенно различных источников.

Вскоре Чандрасекаран пригласил к сотрудничеству профессора университета Юты Дану Кэрролл, чтобы использовать эти новые нуклеазы с цинковыми пальцами (ZFN) в более прикладных целях. Вместе они продемонстрировали, что ZFN работают и в яйцеклетках лягушки[37] (популярной среди биологов модельной системе) и что сделанные ZFN разрывы в ДНК стимулировали гомологичную рекомбинацию. Затем, работая с плодовыми мушками, сотрудники лаборатории Даны Кэрролл сумели запрограммировать новую ZFN на направленное воздействие на ген yellow (один из генов, определяющих окраску тела) и показали, что эта стратегия может обеспечить заданное генетическое изменение во всем организме[38]. Это был очень важный шаг в развитии редактирования генома. ZFN проявили себя не только подходящими для применения в организмах животных; что более важно, их оказалось можно видоизменить таким образом, чтобы их мишенями стали другие, новые гены.

Научное сообщество вскоре подхватило эстафету, и исследователи начали разрабатывать ZFN под собственные цели, выбирая в качестве мишеней новые гены и работая с новыми модельными объектами. В 2003 году Мэттью Портеус и Дэвид Балтимор первыми показали: ген в клетке человека можно редактировать с высокой точностью, используя специально созданную ZFN[39]. Вскоре после этого Федор Урнов и его коллеги исправили в клетках человека мутацию, вызывающую сцепленный с X-хромосомой ТКИД[40]. Возможности использования редактирования генома для направленного воздействия на наследственные заболевания еще никогда не казались настолько близкими к реальности.

Тем временем ZFN также начали использовать в лабораториях, которым редактирование генома было необходимо совсем для других целей – например, создания “дизайнерских” злаков или животных моделей. В конце 2000-х технологию успешно применили к резуховидке Таля, табаку и кукурузе, показав, что двуцепочечные разрывы ДНК способствуют высокоэффективной гомологичной рекомбинации во многих типах клеток, а не только в клетках млекопитающих. В это же время стали появляться публикации, в которых рассказывалось об использовании ZFN для изменения генов у пресноводных лучеперых рыб данио-рерио, червей, крыс и мышей. Это направление работы выглядело интригующе и неизменно привлекало мое внимание – и в научных статьях, и на конференциях. Его потенциал казался чрезвычайно мощным.

Однако, несмотря на свою кажущуюся перспективность, белки ZFN никогда не применялись широко за пределами небольшого числа лабораторий. Исследователи, использовавшие эти нуклеазы, либо сами обладали громадным опытом в области белковой инженерии, либо сотрудничали с теми немногими лабораториями, в которых подобные эксперименты уже проводились, либо могли позволить себе платить баснословные деньги за нуклеазы, сконструированные на заказ. В теории создание ZFN было простым: нужно было просто соединить различные фрагменты белков с цинковыми пальцами, чтобы они распознавали последовательность ДНК, которую исследователь желает отредактировать. Однако на практике это было очень сложно. Большая доля создаваемых ZFN попросту не распознавали те последовательности ДНК, которые должны были распознавать; другие были слишком неразборчивы и воздействовали на первые попавшиеся участки ДНК, лишь отдаленно похожие на целевые, и убивали клетки, геном которых должны были отредактировать. В других случаях фрагмент с цинковыми пальцами успешно распознавал ДНК, однако нуклеазный фрагмент не разрезал ее.

Подобно тому как изменение I-SceI оказалось слишком сложной задачей, так и ZFN тоже, как выяснилось, было нелегко перепрограммировать, чтобы использовать в качестве универсального инструмента редактирования генома. Конечно, результаты экспериментов с ZFN убедительно доказали, что специально видоизмененные нуклеазы полезны, если редактирование генома – самоцель, однако в этой области науки все еще нужна была новая технология, более надежная и простая в использовании.

Такая технология – или, по крайней мере, первая ее версия – была открыта в 2009 году при изучении новых типов белков, найденных в патогенных бактериях рода Xanthomonas, поражающих растения. Эти белки, которые были названы активатороподобными эффекторами транскрипции (transcription activator – like effectors, TALE), были удивительно похожи по своему строению на белки с цинковыми пальцами: они состоят из многократно повторяющихся фрагментов, и каждый фрагмент распознает определенную область ДНК. Однако от белков ZNF их отличала важная деталь: в то время как каждый “палец” в последних распознает трехбуквенную последовательность ДНК, каждый фрагмент TALE-белков узнает всего одну “букву” ДНК. Это различие позволило ученым легко определить закономерность, по которой фрагмент будет распознавать определенную “букву” ДНК, и затем они просто расположили эти фрагменты один за другим таким образом, чтобы они распознавали более длинную последовательность ДНК в гене. В случае ZFN это лишь казалось легко сделать, однако с TALE процедура в самом деле была простой.

Ученые быстро взялись за исследование новейшей “зацепки”. Вскоре после того, как был расшифрован этот код, три лаборатории соединили белки TALE с теми же режущими ДНК фрагментами, что есть в ZFN, и создали нуклеазы TALE, или TALEN. TALE-нуклеазы были очень эффективны для инициации редактирования генома внутри клеток, и после того как удалось еще несколько усовершенствовать их строение, стало очень похоже на то, что TALEN будет гораздо проще создавать и применять, чем ZFN.

“Но как жаль бедняжек TALEN”[41], – писала Дана Кэрролл в статье, описывающей историю появления редактирования генома. Потому что, как только TALEN обнаружили и адаптировали для редактирования, их вытеснило следующее, и возможно последнее, открытие в области редактирования генома. Эта технология получила название CRISPR, и здесь моя история соединяется с историей редактирования генома – и вообще с этим длинным маршем истории науки, которая в тот момент подошла к порогу новой головокружительной эры.

В 2014 году я отметила двадцатилетие своей исследовательской лаборатории (и заодно мое пятидесятилетие) выездом сотрудников в места моего детства: на Гавайи. Около тридцати участников празднования (сборная солянка из студентов, аспирантов, постдоков, технических работников и близких, в числе которых оказался даже мой сын Эндрю) оккупировали три арендованных домика рядом с городом Кона на западном берегу Большого острова – всего в пятнадцати минутах от пляжа и нескольких часах езды от дома в Хило, в котором прошло мое детство. Днем мы устраивали пикники, бродили по Гавайскому вулканическому национальному парку, отправлялись на ближайшие пляжи или рынки и плавали с маской и трубкой среди нетронутых коралловых рифов, окружающих остров. Мы провели незабываемый вечер, наслаждаясь захватывающими видами красноватых отсветов от потоков лавы из кратера Халемаумау, а в другие вечера устраивали непринужденные вечеринки на задних двориках наших домов: общение, пицца и пиво, спонтанные танцы и караоке.

Конечно, как и на любом научном сборище, часть времени была посвящена выступлениям. За четыре дня мы провели четыре мини-симпозиума, на которых каждый сотрудник сделал пятнадцатиминутный доклад на выбранную им самим тему – от истории лаборатории до тонкостей структуры РНК.

На четвертый день постдок Росс Уилсон, взявший на себя большую часть забот по организации нашего путешествия, встал, чтобы прочесть последний доклад. Точнее, я думала, что это будет доклад. Но вместо этого Росс сделал нам сюрприз, показав короткий фильм, смонтированный из фрагментов видео, в которых фигурировала я сама. Оказывается – и я ничего об этом не знала! – коробка со старыми VHS-кассетами все эти годы передавалась от одного поколения сотрудников к другому: своего рода традиция лаборатории.

Гости то издавали одобрительные возгласы, то подтрунивали надо мной, пока один кадр на экране сменялся другим: вот я выступаю с благодарственной речью на церемонии награждения премией Национального научного фонда в 1999-м, вот мое фото со счетчиком Гейгера в руках в одном из номеров Vogue за 2000 год, а вот и отрывок из документального фильма, который Фредерик Уайзман снимал в моей лаборатории, к тому моменту переместившейся из Йельского университета в Калифорнийский университет в Беркли.

В этой нарезке оказались и фрагменты из двух новостных сюжетов, в которых я в свое время появлялась, и в обоих шла речь о первом крупном открытии, сделанном в моей лаборатории в Йеле в 1996 году. Я помнила о существовании этих видео, помнила даже кое-какие детали их содержания. В то время внезапный всплеск внимания к моей работе меня одновременно и радовал, и немного нервировал – ведь я тогда была молодой исследовательницей, проводившей большую часть времени за рабочим столом, в уединении своей лаборатории.

Из всех эпизодов в фильме Росса эти два вызвали самую бурную реакцию. Они казались такими безнадежно древними: начальнице всего около тридцати, ведущие выглядят и говорят старомодно, и в кадре видны громоздкие допотопные компьютеры, которые в то время, конечно, были последним словом техники.

Пока я веселилась вместе со всеми остальными, память уносила меня в те ранние годы моей работы в Йеле, и я вновь ощутила те надежды и страхи, которые испытала, когда двинулась в новую рискованную область исследований, начала работу над проектом, из которого, как предостерегали меня многие коллеги-ученые, никогда ничего не получится. Глядя теперь на то, как я в молодости отвечала на вопросы интервьюеров, я живо вспомнила и воодушевление, и ощущение тяжелой утраты – главные чувства, сопровождавшие меня в те годы. Мои тогдашние комментарии оказались на удивление точным предсказанием того, что произошло значительно позднее, по мере того как разворачивались мои исследования по новым направлениям.

Во времена, когда я давала эти интервью, моя лаборатория только что установила трехмерную структуру – точное расположение каждого атома – в молекуле рибонуклеиновой кислоты (РНК), образующей часть более крупной молекулы под названием самосплайсирующий рибозим. В 1980-х годах Том Чек, мой научный руководитель в Университете штата Колорадо в Боулдере, получил Нобелевскую премию за обнаружение самосплайсирующих рибозимов[42]. Его открытие было прорывом, поскольку существование самосплайсирующих рибозимов предполагает, что жизнь на Земле могла возникнуть из молекул РНК, способных и кодировать генетическую информацию, и копировать ее в примитивных клетках. Когда в 1994 году я возглавила собственную лабораторию в Йеле, я собиралась отталкиваться в своей работе от открытия Тома – изучить структуру рибозимов, чтобы лучше понять, как они работают. Я хотела определить, каким образом РНК – молекула, тесно связанная с ДНК, – может функционировать и в качестве хранилища генетических инструкций, и в качестве химически активной молекулы, способной изменять свою форму и биологическое “поведение”. Кульминацией этого исследования стало фантастически волнующее открытие: молекулы РНК могут складываться в трехмерные структуры, совершенно непохожие на изящную в своей простоте двойную спираль ДНК.

Однако моя радость от установления структуры рибозимов – эту работу я провела вместе со своим аспирантом Джейми Кейтом – омрачилась личной трагедией. Той осенью отец позвонил мне на работу в Йель, чтобы сообщить ужасную новость: ему диагностировали меланому на поздней стадии. В последние три месяца его жизни я трижды летала из Нью-Хейвена на Гавайи, чтобы подержать его за руку, почитать ему вслух его любимые отрывки из “Уолдена” Генри Торо, вместе послушать Моцарта, обсудить, как действуют различные обезболивающие и что происходит с нами после смерти. Это были крайне напряженные дни и ночи.

Папа всегда интересовался моими исследованиями и во время каждой встречи расспрашивал меня, что нового в лаборатории. Однажды я показала ему рисунок молекулы рибозима, сделанный зелеными чернилами. “Похоже на зеленые фетучини!” – сказал он. Через три недели его не стало.

Потрясенная смертью отца и желая отвлечься, я с головой окунулась в работу, утешаясь мыслью, что однажды наша работа спасет или хотя бы улучшит жизни людей. Рибозимный проект, как и многие другие научные исследования, двигали два желания: пролить свет на неизведанные явления природы и использовать полученные знания на практике. В то время, когда я решила установить молекулярную структуру рибозимов, многие биологи думали, что молекулы этого типа лягут в основу альтернативного способа лечения ряда заболеваний. Основанный на рибозимах метод терапии, каким его представляли тогда, отличался и от генной терапии (которая была нацелена на исправление генетических проблем путем добавления здоровых генов), и от редактирования генома (направленного на “починку” самих дефектных генов) тем, что позволял врачам лечить пациентов, “ремонтируя” бракованные молекулы РНК – переносчики сигналов, используемых клетками для перевода информации с ДНК в белки.

Окрыленная успехом нашего исследования рибозимов, я высказала в телевизионном эфире идею, что эти молекулы однажды станут инструментами для редактирования ДНК. В конце концов, уже в то время имелось несколько свидетельств тому, что некоторые рибозимы способны запускать химические изменения в ДНК. Пересматривая эти кадры спустя столько лет, я видела себя двадцатилетней давности, объясняющую, зачем вообще нужен рибозимный проект:

В конце концов эта идея так и не воплотилась в жизнь – по крайней мере, к настоящему моменту. Хотя несколько вариантов терапии, основанной на рибозимах, в конце концов дошли до стадии клинических испытаний, эффективность в лечении генетических заболеваний не была доказана ни для одного из них. Однако это интервью из далекого прошлого резко вернуло меня к настоящему – оно было неожиданным образом связано с моим текущим исследованием.

Что привлекло мое наибольшее внимание в этих старых кадрах, так это слова, которые я выбирала для интервью: они отразили неожиданный поворот в направлении моей научной работы. Когда я описывала наше исследование рибозимов с точки зрения его потенциального применения для исправления генов, у меня и мысли не было о том, что почти двадцать лет спустя редактирование генома будет определять ход моей карьеры.

Примерно через пятнадцать лет после того, как эти телесюжеты вышли в эфир, я погрузилась в область исследований, потенциальная терапевтическая польза от которых была гораздо, гораздо больше, чем я могла себе представить в 1996-м, едва только став самостоятельным исследователем. Это произошло в момент, когда я изучала другую биологическую систему – иммунную систему бактерий, где РНК играла главную роль. Но в отличие от рибозимного проекта, который был посвящен теме, уже оказавшейся в центре внимания из-за Нобелевской премии, которой наградили открывателя рибозимов, это научное путешествие начиналось в полной безвестности: его затеяли чуть ли не ради забавы, и проект продвигался благодаря почти невероятным (но оказавшимся крайне полезными) встречам и столь же случайным, но плодотворным научным коллаборациям. Теперь, сидя в окружении своей семьи и коллег и глядя на экран, на котором блистала молодая версия меня самой, я удивлялась и радовалась тому, как наглядно идея, лежащая в основе моей работы, – исправление дефектных генов – пронизывает насквозь всю мою карьеру.

Я никогда не забуду, как впервые услышала термин CRISPR.

Однажды в 2006 году, когда я сидела у себя в кабинете на седьмом этаже Стэнли-холла в Калифорнийском университете в Беркли, зазвонил телефон. На проводе была Джиллиан Бэнфилд, коллега-профессор с кафедры наук о Земле и планетологии, а также с кафедры наук об окружающей среде, экологической политики и природопользования.

Я знала о Джилл только понаслышке, и она обо мне тоже; она объяснила, что нашла сайт моей лаборатории, только потратив некоторое время на его поиск в Google. Геомикробиолог, сосредоточенный в первую очередь на взаимоотношениях микроорганизмов с их окружающей средой, Джилл искала среди сотрудников Беркли исследователей, которые бы занимались РНК-интерференцией – системой процессов на молекулярном уровне, которую клетки животных и растений используют для подавления экспрессии конкретных генов; на уровне целого организма эта система задействуется во время иммунных ответов. По этой теме у нашей лаборатории имелся обширный опыт.

Джилл рассказала мне, что ее лаборатория занимается изучением чего-то, что я на слух восприняла как “криспер”[43], – она не объяснила, о чем речь, и даже не произнесла слово по буквам, лишь упомянула, что это название “всплыло” в каких-то наборах данных, которые анализировали ее сотрудники, – и что она хочет расширить область исследования, используя методы генетики и биохимии: именно такие инструменты могла бы предоставить моя лаборатория. В частности, Джилл считала, что между “криспером” и РНК-интерференцией могут быть некоторые параллели. Не хочу ли я встретиться и обсудить это?

Я была заинтригована напором Джилл, хотя и сомневалась насчет ее запроса; я так и не поняла, что именно она исследует. Но ее энтузиазм чувствовался даже по телефону, так что я согласилась выпить с ней чашечку кофе на следующей неделе.

После этого звонка я сделала беглый поиск по базам научных публикаций и нашла лишь несколько статей, посвященных теме, о которой с таким воодушевлением рассказывала Джилл. Для сравнения: РНК-интерференция, изучение которой началось всего-то восемь лет, упоминалась в тот момент уже более чем в четырех тысячах источников (внимание к этой теме достигло апогея, когда позднее в том же году открыватели РНК-интерференции Эндрю Файер и Крейг Мелло получили Нобелевскую премию). Из-за нехватки публикаций было трудно оценить важность темы, о которой говорила Джилл, – но именно это подстегнуло мое любопытство.

Я пробежалась глазами по нескольким обзорным статьям и прочла ровно столько, чтобы понять: эта штука – CRISPR – обозначает участок бактериальной ДНК, а сокращение расшифровывается как “кластерные короткие палиндромные повторы, разделенные регулярными промежутками, clustered regularly interspaced short palindromic repeats”. Дальше я разбираться не стала, увязнув в незнакомых терминах, и решила, что Джилл расскажет мне подробности при встрече.

Поиск информации о Джиллиан в Google показал, что она чрезвычайно успешный ученый. Яркая, предложившая неожиданные идеи во множестве самых разных областей науки, она опубликовала статьи с такими заголовками, как “Минералогические следы живого и поиск жизни на Марсе” (Mineralogical Biosignatures and the Search for Life on Mars) и “Геофизическая визуализация стимулированной микробной биоминерализации” (Geophysical Imaging of Stimulated Microbial Biomineralization). Ее исследования включали в себя сбор и изучение биологических образцов, собранных со всего света: от горных пород, слагающих земную кору под Японией, до гиперсоленых озер Австралии и закисленных водоотливов в Северной Калифорнии. Эти экзотические работы разительно контрастировали с моими: если не считать неизбежно частых визитов в Национальную лабораторию имени Лоуренса в Беркли для исследований на циклотроне, эксперименты в моей лаборатории проводились по большей части в пробирках.

Частично из-за того, что меня так впечатлили исследованияя Джилл, частично из моих собственных научных интересов я все больше хотела с ней встретиться. За четыре года до этого я перешла из Йельского университета в Беркли и переехала в Калифорнию вместе с Джейми Кейтом, который теперь стал моим мужем, и нашим новорожденным сыном Эндрю. Хотя мои текущие исследования уже развивались в некоторых новых направлениях, я надеялась расширить лабораторию и запустить в ней несколько дополнительных проектов, одновременно наладив рабочие связи с новыми коллегами. Возможно, сотрудничество с Джилл – это именно то, чего я ищу.

Мы с Джилл встретились на следующей неделе в кафе Free Speech Movement недалеко от входа в одну из студенческих библиотек кампуса. Был ветреный весенний день, и, когда я пришла в кафе, Джилл уже расположилась во внутреннем дворике, за одним из мраморных столиков. На столе лежали блокнот и стопка бумаги. Мы немного поболтали, а затем Джилл открыла блокнот и перешла к делу.

Она быстро набросала схему CRISPR. Сначала изобразила большой овал, он обозначал бактериальную клетку. Затем внутри овала нарисовала круг – бактериальную хромосому, а на одной из его сторон – чередующиеся квадратики и ромбики, символизирующие конкретный участок ДНК. Этот участок, очевидно, и представлял собой CRISPR.

Джилл заштриховала ромбики и объяснила, что все они представляют собой одинаковые последовательности примерно из тридцати “букв” ДНК. Затем она последовательно пронумеровала квадратики, начиная с цифры 1, и сказала, что каждый из них включает в себя уникальную последовательность ДНК.

Наконец я начала понимать слова, скрывавшиеся за аббревиатурой CRISPR: кластерные короткие палиндромные повторы, разделенные регулярными промежутками. Ромбики были короткими повторами, а квадратики – регулярными промежутками, которые их разделяли, и эти последовательности ромбиков и квадратиков были сгруппированы в кластеры на одном участке хромосомы, а не разбросаны по ней. Уже потом, когда я более детально ознакомилась с повторяющимися последовательностями ДНК в своем рабочем кабинете, значение буквы “P” в аббревиатуре тоже стало мне понятным: последовательности при чтении их в противоположных направлениях “звучали” практически одинаково – словно палиндром вроде “нажал кабан на баклажан”[44].

Сама идея, что клетки могут нести в себе повторяющиеся последовательности ДНК, не нова: более 50 процентов генома человека – существенно больше миллиарда “букв” ДНК – это различные типы повторяющихся последовательностей, и некоторые из них представлены миллионами копий. Хотя геномы бактерий сравнительно небольшие, они тоже содержат повторяющиеся последовательности. Я знала о нескольких типах, в названии которых даже присутствовали некоторые слова из расшифровки CRISPR: повторяющиеся экстрагенные палиндромы (REP) и бактериальная, рассеянная по геному, повторяющаяся ДНК (BIME). Но я никогда раньше не слышала о последовательностях ДНК, повторяющихся так точно и настолько унифицированных, чтобы все повторы действительно совпадали друг с другом и всегда были отделены от соседей последовательностями-спейсерами близкой длины, но со случайным набором нуклеотидов.

Желая узнать больше об этих странных участках бактериальной ДНК, я спросила Джилл, каковы их биологические функции, но, к моему разочарованию, Джилл ответила, что ничего об этом не знает. Однако в ее лаборатории обнаружили важную зацепку[45]. Последовательности ДНК бактерий природных популяций показали, что буквально каждая клетка в них содержит уникальный вариант CRISPR, поскольку разделяющие регулярные повторы промежутки у каждой клетки отличаются. Это было совершенно необычно, поскольку все остальные участки ДНК у этих клеток практически совпадали. Джилл поняла, что CRISPR, скорее всего, эволюционируют быстрее всех остальных областей генома, а это указывает на то, что их функция – быстро меняться или адаптироваться в ответ на некий вызов из внешней среды, с которым сталкиваются клетки.

CRISPR внутри бактериальной клетки

Годами ранее испанский профессор Франсиско Мохика в своей новаторской работе[46] обнаружил те же повторы у множества совершенно не родственных друг другу видов, включая архей – одноклеточных организмов, которые, как и бактерии, не имеют ядер. (Бактерии, археи – их собирательное название “прокариоты” – и эукариоты представляют собой три домена, включающих все формы жизни на Земле.) CRISPR, по словам Джилл, обнаружили в половине бактериальных геномов, секвенированных на тот момент, и почти во всех геномах архей. Выходило, что кластерные палиндромы – наиболее распространенный тип повторяющихся последовательностей ДНК у всех прокариот.

Эти факты заставили меня буквально задрожать от любопытства: если CRISPR присутствует у такого большого количества видов, то с высокой вероятностью природа использует этот инструмент для чего-то важного.

Я внимательно слушала, а тем временем Джилл вытащила из стопки бумаг три статьи, все 2005 года[47], и оживленно пересказала их суть. Три коллектива исследователей (один из них – под руководством Мохики) независимо друг от друга обнаружили, что многие спейсеры CRISPR – те фрагменты ДНК, что встроены между повторяющимися последовательностями, – точно совпадают с ДНК известных бактериофагов. Что еще интереснее, возникало ощущение, что между числом последовательностей ДНК в бактериальной CRISPR, совпадающей с вирусной ДНК, и числом вирусов, способных поразить эту бактерию, существует обратная зависимость: чем больше совпадений, тем ниже вероятность инфицирования. Собственное новаторское исследование Джилл[48], в котором геномы целых микробных сообществ были восстановлены секвенированием небольших, перекрывающих друг друга фрагментов ДНК и их сборкой в одну более длинную последовательность, также показало, что многие разделенные регулярными промежутками последовательности на содержащем CRISPR участке хромосомы соответствовали последовательностям вирусной ДНК, обнаруженным в окружающей бактериальные сообщества среде.

В совокупности эти новые сведения стали отличной подсказкой для ответа на вопрос, какую роль CRISPR играет у бактерий и архей. Авторы упомянутых статей обнаружили свидетельство в пользу того, что CRISPR, вероятно, является частью иммунной системы прокариот – адаптацией, позволяющей микроорганизмам успешно справляться с вирусами.

Напоследок, в качестве последнего козыря, Джилл выложила на стол самую новую статью о CRISPR. Опубликованная коллективом исследователей из Национальных институтов здравоохранения под руководством Киры Макаровой и Евгения Кунина[49], она называлась “Гипотетическая иммунная система прокариот, основанная на РНК-интерференции” (A Putative RNA-Interference-Based Immune System in Prokaryotes). Этот заголовок моментально привлек мое внимание. Хотя в этой статье, как и в трех предыдущих, явно недоставало убедительных экспериментальных данных, ее авторы проделали значительную работу, собрав всю доступную информацию о CRISPR. Сопоставив результаты множества более ранних исследований с экспертной оценкой распространения CRISPR у различных видов, они собрали из этих кусочков заманчивую новую гипотезу о том, что РНК служит ключевой составляющей иммунной системы одноклеточных организмов, таких как бактерии, и что эта система может быть функционально сходной с одним из объектов моих исследований, РНК-интерференцией.

Джилл не смогла бы найти лучшей приманки, чтобы завлечь меня в свои исследования. Не только вся моя научная деятельность до того момента была посвящена изучению молекул РНК, но я еще все больше концентрировалась на процессах РНК-интерференции в человеческих клетках. А тут еще Макарова и Кунин предполагали, что CRISPR представляет собой бактериальный аналог РНК-интерференции. Если это было верно, то моя лаборатория отлично подходит для того, чтобы разобраться с этим новым загадочным биологическим явлением. А перспективы были более чем соблазнительными, поскольку никто еще не провел экспериментов для подтверждения или опровержения теорий о биологическом смысле CRISPR – все только и делали, что плодили эти теории. Для биохимиков, таких как я, это был идеальный момент, чтобы ввязаться в борьбу за понимание того, как работает и для чего нужен CRISPR.

В завершение встречи с Джилл я поблагодарила ее и пообещала быть на связи. Мне нужно было переварить всю новую информацию и просчитать плюсы и минусы добавления исследований CRISPR к текущим проектам моей лаборатории. Если я соглашаюсь заниматься этой темой, мне понадобится ученый, постоянно занятый координацией работы по ней, так как у меня самой не хватило бы времени возглавить новый проект: я была слишком занята руководством лабораторией в целом.

Мне также нужно было освежить свои знания о мире бактерий и о вирусах, которые поражают эти бактерии. Я опубликовала немало научных статей о вирусе гепатита С, я изучала вирус гриппа с новым постдоком в собственной лаборатории, и я знала, что механизм РНК-интерференции тесно связан с противовирусной защитой растений и животных. Но я никогда не изучала вирусы бактерий и даже не особенно задумывалась о них. Если я собираюсь присоединиться к исследованиям Джилл, это положение дел нужно было менять.

Фредерик Туорт, британский бактериолог, работавший в начале XX века, стал первым ученым, отметившим действие бактериальных вирусов. По иронии судьбы, изначально Туорт собирался исследовать не вирусы бактерий, а вирусы, поражающие животных и растения, – а они были открыты уже давно. Однако в ходе попыток извлечь вирусы из таких субстратов, как навоз и сено, а затем культивировать их, Туорт обнаружил странную колонию бактерий из рода Micrococcus. Складывалось ощущение, что бактерии больны; вместо того чтобы, как большинство других бактерий, плотными колониями расти на питательной среде в чашках Петри, их культуры выглядели водянистыми и прозрачными. Если Туорт брал мазок с водянистой колонии микрококков и переносил его на здоровую, последняя через какое-то время тоже приобретала стеклянистый вид, словно ее чем-то заразили. Туорт написал статью, в которой предположил, что инфекционный агент в данном случае имеет вирусную природу, но идея о том, что вирусы способны заражать бактерии, в то время казалась неслыханной, а у перемен, произошедших с культурами, могли быть и другие объяснения. Ученый не мог с полной уверенностью говорить, что конкретно поразило здоровые культуры.

В 1917 году, спустя два года после публикации статьи Туорта, вирусы бактерий заново открыл канадский врач Феликс д’Эрелль. Во время Первой мировой войны д’Эрелль служил во Франции, и ему поручили расследовать причину вспышки дизентерии, которая косила солдат одного из кавалерийских эскадронов. Стремясь выяснить, почему одни больные выздоравливают, а другие нет, д’Эрелль взял у пациентов образцы кала и подверг их обстоятельному, хотя и достаточно грубому анализу. Сначала он пропустил кровянистый стул своих подопечных через мелкоячеистый фильтр, чтобы удалить из него все твердые частицы – включая бактерии. Затем д’Эрелль налил немного отфильтрованной жидкости на культуры бактерий рода Shigella, вызывающих дизентерию. На следующий день он с удивлением обнаружил, что одна из культур заразных бактерий под фекальной жидкостью “растворилась подобно сахару в воде” – исчезла буквально за ночь[50]. Что еще интереснее, когда д’Эрелль поспешил в госпиталь узнать о состоянии пациента, у которого был взят этот образец кала, он обнаружил, что больному заметно лучше. Сопоставив эти факты, д’Эрелль заключил, что возбудителя дизентерии уничтожил некий паразит, которого ученый назвал бактериофагом (“пожирателем бактерий”); эта форма жизни должна была быть достаточно маленького размера, чтобы пройти через фильтр. Судя по всему, “бактериофаг” заражал бактерии фактически так же, как другие вирусы инфицировали растения или животных.

В последующие годы было открыто множество бактериофагов, или, сокращенно, фагов, и выяснилось, что каждый из них поражает свой конкретный вид бактерий. По мере накопления знаний о новых разновидностях фагов увеличивался ажиотаж вокруг так называемой фаговой терапии – идеи о том, что бактериофагов можно использовать для лечения микробных инфекций. Хотя некоторым ученым претила идея вводить живые вирусы в организм человека, клинические испытания показывали, что фаги “не замечают” человеческие клетки и видимых побочных эффектов у фаговой терапии нет. В 1923 году д’Эрелль помогал советским ученым организовать институт в Тбилиси[51], исследования в котором были посвящены бактериофагам; во времена своего расцвета учреждение насчитывало более тысячи сотрудников, производящих тонны фагов в год для клинического использования[52]. В некоторых уголках мира фаговую терапию используют и по сей день – в Грузии в настоящее время фаги назначают при бактериальных инфекциях примерно в 20 процентах случаев[53]. Однако после того как в 1930-х были открыты антибиотики (а в 1940-х началось их массовое производство), этот способ терапии был быстро забыт, особенно на Западе.

Хотя бактериофаги нашли лишь ограниченное применение в медицине, для генетиков они стали настоящим подарком судьбы. К тому моменту, когда ученые с помощью новых электронных микроскопов с большим увеличением смогли впервые увидеть фагов (это случилось в 1940–1950-е годы), эти вирусы вкупе с бактериями-жертвами уже предоставили очередное доказательство дарвиновской теории естественного отбора. Они помогли установить, что именно ДНК, а не белки, служит “молекулой наследственности” в клетках. Тот факт, что генетический код триплетен (то есть каждые три “буквы” ДНК обозначают одну аминокислоту в белке), был впервые продемонстрирован на примере фагов; эксперименты с последними позволили также выяснить, как “включаются” и “выключаются” гены внутри клетки. Даже открытие Джошуа Ледерберга (он обнаружил, что вирусы могут вносить чужеродные гены в инфицированные ими клетки, и это стало одним из ранних подступов к генной терапии) было сделано благодаря фагу, специализирующемуся на бактериях рода Salmonella. Во многом именно эксперименты с вирусами бактерий заложили основы молекулярной генетики.

Кроме того, изучение фагов послужило толчком к революции в молекулярной биологии 1970-х годов. Исследуя иммунные механизмы, с помощью которых бактерии дают отпор фаговым инфекциям, ученые обнаружили класс ферментов, называемых эндонуклеазами рестрикции; их можно “настроить” таким образом, чтобы они разрезали фрагменты искусственно синтезированной ДНК (это было показано в простых экспериментах вне живых объектов). Используя сочетание этих ферментов с другими ферментами, выделенными из инфицированных фагами клеток, исследователи сумели создать и клонировать искусственные молекулы ДНК в лабораторных условиях. Одновременно с этим геномы фагов послужили прекрасной мишенью для только что разработанных технологий секвенирования ДНК. В 1977 году Фред Сенгер и его коллеги успешно определили последовательность всех нуклеотидов ДНК в геноме фага ФX174. Двадцать пять лет спустя тот же фаг снова оказался в центре внимания: он стал первым объектом, чей геном был синтезирован с нуля[54].

Впрочем, бактериофаги – это не просто популярные “подопытные кролики”. Это еще и наиболее многочисленные биологические объекты на планете – и по этому показателю они лидируют с большим отрывом. Фаги в природе так же вездесущи, как свет и почва, и их можно найти в грязи, воде, человеческом кишечнике, горячих источниках, ледяных кернах и практически во всех других местах, где возможна жизнь. Ученые оценивают численность бактериофагов на Земле в 10³¹ вирусных частиц – десять миллионов триллионов триллионов, или единица с 31 нулем. В одной чайной ложке морской воды в пять раз больше фагов, чем в Нью-Йорке людей. Невероятно, но фагов на планете намного больше, чем бактерий, которые они могут инфицировать; столь же вездесущие, как и микроорганизмы, бактериофаги превышают численность последних на порядок. Они вызывают примерно триллион триллионов инфекций по всему миру каждую секунду, а если брать только океан, то там ежедневно от смертоносного заражения фагами погибает около 40 % всех бактерий[55].

Эти вирусы созданы для убийства: в течение миллиардов лет они эволюционировали, чтобы научиться заражать бактерии с беспощадной эффективностью. Все фаги состоят из прочной белковой наружной оболочки, называемой капсидом, в которую упакован генетический материал. Фаговый капсид может иметь одну из десятков разнообразных форм, и все они спроектированы таким образом, чтобы максимально эффективно защищать геном вируса и успешно переносить его генетический материал в бактериальные клетки, где тот способен размножаться и распространяться. Некоторые фаги имеют изящную икосаэдрическую форму, у других длинный хвост присоединяется к шарообразному капсиду. Нитевидные фаги цилиндрические. Возможно, самые устрашающие из этих вирусов – те, что похожи на инопланетные корабли, с “ногами” для закрепления на поверхности клетки, “головой”, в которой хранится ДНК[56], и “насосами”, впрыскивающими эту ДНК в клетку после того, как фаг закрепится снаружи.

Примеры различных бактериофагов

Методы работы вирусов, как и их внешний вид, разнообразны, но неизменно (и смертоносно) эффективны. Некоторые вирусные геномы упакованы в капсид так плотно, что генетический материал под давлением буквально выстреливает в клетку, словно пробка от шампанского, как только нарушается целостность белковой клеточной оболочки. Сразу после того, как геном вируса попал в клетку, он способен захватить контроль над клеткой-хозяином одним из двух способов. При паразитическом, или лизогенном, жизненном цикле геном вируса внедряется в геном хозяина и в таком виде, никак себя не проявляя, может передаваться из поколения в поколение, ожидая подходящего момента для нападения. Напротив, при инфекционном, или литическом, жизненном цикле геном вируса сразу же захватывает ресурсы клетки-хозяина, заставляя их работать на себя: производить вирусные белки вместо микробных и многократно копировать геном фага до тех пор, пока клетка не лопнет от распирающих ее вирусных частиц, разбросав последние на соседние бактерии. С помощью этого цикла внедрения в клетку, захвата контроля над ней и распространения по ее потомкам или соседям один-единственный фаг может полностью уничтожить целую популяцию бактерий за считанные часы.

Но бактерии не так уж беспомощны в этой старой как мир войне. Точно так же как растения и животные, за миллиарды лет эволюции они выработали впечатляющие стратегии защиты. К моменту нашего разговора с Джилл у бактерий уже были открыты четыре основные защитные системы[57]. В рамках наиболее выдающейся из них бактерии “навешивают” на свой геном уникальные метки, немного меняющие химические свойства ДНК, но не меняющие экспрессию генетической информации. В дополнение к этому бактерии производят ферменты (эндонуклеазы рестрикции), которые разрезают любую ДНК, не несущую таких меток, зачищая клетку ото всех фаговых генов, проникших под ее оболочку. Также бактерии способны попросту заблокировать фаговой ДНК путь внутрь себя – либо заделывая отверстия, проделанные этими вирусами, в результате чего последние не могут ввести ДНК в клетку, либо делая неузнаваемыми белки на своей поверхности, к которым в обычных условиях прикрепляются фаги. У бактерий даже развилась способность чувствовать наступающую инфекцию и “совершать самоубийство” до распространения заразы – самоотверженный способ защитить остальные клетки в сообществе.

Литический жизненный цикл бактериофага

Может ли CRISPR быть еще одним механизмом антивирусной защиты? Чем больше я читала о гонке вооружений между бактериями и бактериофагами, тем более вероятным мне казалось существование других, еще не открытых, орудий, которые они используют в борьбе друг с другом.

Более того, узнавая все больше о CRISPR, я начинала понимать, в каком направлении будут двигаться исследования в нашей лаборатории, если мы примем предложение Джилл. Расчеты голландца Рююда Янсена и его коллег[58] – это они в 2002-м предложили аббревиатуру CRISPR – выявили набор генов, которые в бактериальных хромосомах почти всегда примыкали к участкам с CRISPR. Они разительно отличались и от повторяющихся последовательностей, и от спейсеров в CRISPR.

Даже то немногое, что мы тогда знали об этих ассоциированных с CRISPR генах, или cas-генах, подсказывало, что они представляют собой нечто крайне интересное. Сравнение их строения со строением уже известных генов позволило предположить, что cas-гены кодируют специализированные ферменты, в чьи функции может входить разделение двух цепочек двойной спирали ДНК или разрезание молекул РНК либо ДНК, как у эндонуклеаз рестрикции (последние режут только ДНК).

Учитывая, насколько полезным оказалось открытие эндонуклеаз рестрикции для развития технологии рекомбинантных ДНК в 1970-е годы, казалось весьма вероятным, что при более глубоком изучении разных аспектов работы CRISPR мы обнаружим целый клондайк новых ферментов – и эти белки тоже будут иметь значительный биотехнологический потенциал.

Вот так все это и случилось. Я оказалась на крючке.

Учеными, которые занимаются фундаментальными исследованиями, движут азарт, любопытство, интуиция и упорство – но вдобавок к этим возвышенным качествам нам необходима здоровая доза практичности. Это и банальные поиски финансирования, и непрерывное решение вопросов управления. Те из нас, кто руководит собственными лабораториями, вынуждены делегировать другим ученым множество задач, которые мы прекрасно умеем выполнять самостоятельно. Часто это означает, что каждый раз, когда мы приступаем к новому для нас направлению исследований, нам нужно найти подходящего человека, который отвечал бы за этот участок.

По счастью, моя лаборатория в Беркли получала довольно хорошее финансирование, но когда Джилл рассказала мне о CRISPR, никто из моих сотрудников не был достаточно квалифицирован для того, чтобы взять на себя этот новый, непредсказуемый и потенциально рискованный проект. И тут нам повезло: на собеседование на вакансию постдока пришел Блейк Виденхефт. Когда я спросила молодого претендента на вакансию, над чем он хотел бы работать, то, к своему восхищению, получила в ответ встречный вопрос: “А вы слышали когда-нибудь о CRISPR?” Я тут же взяла Виденхефта на работу. Всего несколько месяцев спустя Блейк обжился в Беркли и самозабвенно работал над успешным запуском проекта по изучению CRISPR.

Дружелюбный и располагающий к себе уроженец Монтаны, впитавший вместе с любовью к спортивным играм присущий им дух соперничества, Блейк приехал в Беркли из Бозмена, из Университета штата Монтана, где он получил и высшее образование, и степень доктора философии. В отличие от большинства исследователей, которых мне приходилось брать на работу до него (все они специализировались на биохимии или структурной биологии), Блейк был прирожденным микробиологом. Подобно Джилл, часть своих исследований он проводил в лаборатории, а часть – собирая образцы в полевых условиях. Работа над докторской диссертацией заносила его и в Йеллоустонский национальный парк, и в Россию, на Камчатку, где в кислотной воде горячих источников он обнаружил ранее неизвестные вирусы, способные выживать и сохранять способность к заражению при температурах выше 75 °C. Стало известно, что эти вирусы инфицируют архей – одноклеточные организмы, похожие на бактерии; в геноме почти у каждой археи есть CRISPR. После секвенирования геномов двух выделенных им вирусов Блейк обнаружил, что значительная часть ДНК у них совпадает. Это означало, что у вирусов должен был быть общий предок – несмотря на огромное расстояние, отделяющее Йеллоустон от Камчатки. Геномы вирусов также содержали ответы на вопрос, каким образом они заражают своих хозяев; анализируя конкретные вирусные гены, Блейк вычислил, какой именно фермент, скорее всего, давал вирусам возможность встраивать фрагменты своих геномов в ДНК ничего не подозревающих хозяев.

Именно такого рода “расследование” нам надо было провести в отношении CRISPR – только в обратную сторону. Вместо того чтобы сконцентрироваться на вирусных генах, обеспечивающих инфицирование, нам необходимо было выследить те гены в бактериях, которые препятствуют заражению – и ассоциированы с CRISPR. Или гены, которые, как мы считаем, препятствуют заражению. Мы в то время еще не были уверены, что именно обеспечивает этот эффект – cas-гены или сам CRISPR.

Большая часть наших ранних обсуждений вращалась вокруг привлекательной гипотезы, согласно которой CRISPR и cas-гены представляют собой части одной системы иммунной защиты от вирусов и РНК используется в этой системе для обнаружения последних. Но гипотеза – лишь первый этап любого обстоятельного научного исследования. Так что нам нужно было еще проверить эту гипотезу и собрать сведения, подтверждающие или опровергающие ее.

На встречах с Джилл и несколькими заинтересованными учеными в Национальной лаборатории имени Лоуренса всего в нескольких минутах ходьбы от моего кабинета в Беркли мы с Блейком размышляли, как нам организовать наши эксперименты. Главный вопрос заключался в том, какой модельный организм нам использовать. В качестве одного из вариантов мы рассматривали Sulfolobus solfataricus, архею, которую впервые выделили из воды горячих источников вулкана Сольфатара рядом с Неаполем. Известно было, что ее клетки содержат CRISPR и что их поражают вирусы, обнаруженные Блейком в Йеллоустоне и на Камчатке, – что было удобно, поскольку Блейк был хорошо знаком с этими формами.

Другим “кандидатом” выступала кишечная палочка Escherichia coli, которую часто называют просто E. coli. Наиболее хорошо изученный на данный момент вид бактерий, E. coli подвержена заражению десятками одинаково хорошо изученных фагов, многие из которых можно просто заказать в интернете. (Также E. coli принадлежит честь быть первой бактерией, у которой определили последовательность CRISPR[59].) В дополнение к этому Блейк предложил Pseudomonas aeruginosa, патогенную бактерию, которая, как было известно, устойчива ко многим антибиотикам и несет в себе CRISPR. Мы знали, что сможем манипулировать ДНК P. aeruginosa, используя разнообразные инструменты генной инженерии, и что эту бактерию инфицируют многочисленные фаги (Блейк провел некоторое время в поисках новых фагов Pseudomonas, но не в экзотических местах вроде Йеллоустона, а на местных канализационных очистных сооружениях области залива Сан-Франциско).

Блейк четко дал мне понять, что он хочет сфокусироваться на изучении биохимии и структурной биологии во время работы в моей лаборатории, и ему не терпелось приступить к научной работе в новом направлении. Перед исследованиями CRISPR он очистил белки семейства Cas, закодированные в геноме P. aeruginosa, и стал проверять их на способность каким-либо образом распознавать или разрушать вирусную ДНК, начав с наиболее распространенного из них – белка Cas1. Затем (это было в 2007 году, примерно в то же время, когда Блейк начал работать в моей лаборатории) Джилл сообщила нам, что скоро будет опубликована важная статья исследователей из Danisco – датской биотехнологической компании и одновременно одного из ведущих мировых производителей пищевых ингредиентов. В своем исследовании они с помощью генетических методов показали, что CRISPR действительно представляет собой бактериальную иммунную систему[60] – хотя спектр ее возможностей на тот момент оставался неизвестным.

Предметом исследования ученых из Danisco была ферментирующая молоко бактерия под названием Streptococcus thermophilus, один из ключевых пробиотиков, используемых в производстве йогурта, сыра моцарелла и бесчисленного множества других молочных продуктов. Человечество поглощает существенно больше миллиарда триллионов клеток живых S. thermophilus в год, и годовая рыночная стоимость культур этих бактерий превышает сорок миллиардов долларов[61]. Вероятно, не стоит удивляться, что эти масштабные инвестиции в молочную промышленность постоянно находятся под угрозой фаговых инфекций – наиболее распространенной причины потерь продукции и неполного брожения. В одной капле сырого молока содержится от десятка до тысячи вирусных частиц, что делает полное уничтожение фагов в нем просто невозможным. Компании, подобные Danisco, пытались бороться с фагами, совершенствуя технологии очистки молока и оборудование фабрик, а также принимая другие меры, – но проблему так и удалось решить[62].

Работая совместно с Филиппом Хорватом и его командой из французского филиала Danisco, группа исследователей под руководством Родольфа Баррангу из американского филиала компании изучала S. thermophilus в попытках найти решение. Родольф и Филипп задумались над тем, что делает некоторые штаммы S. thermophilus более устойчивыми к фаговым инфекциям по сравнению с другими. В молочной промышленности уже начали применять линии мутантных бактерий, менее восприимчивых к бактериофагам, но Родольф и Филипп подозревали, что участки CRISPR в геноме S. thermophilus могут обеспечивать бактерии иммунитетом такого типа, что он окажется даже более сильным, чем случайные мутации у упомянутых штаммов.

Последовательности CRISPR у S. thermophilus, как было известно Родольфу и Филиппу, обладают определенными необычными свойствами, которые можно было бы использовать в экспериментальной работе. Александру Болотину удалось обнаружить некоторые из этих свойств, когда он секвенировал геном S. thermophilus; позднее Болотин сосредоточился на изучении ДНК CRISPR и в конце концов проанализировал более двадцати различных штаммов. В ходе этой работы он заметил, что, хотя повторяющиеся последовательности CRISPR (заштрихованные черным ромбики на рисунке Джилл) всегда были одинаковыми, спейсерные последовательности (пронумерованные квадратики на том же рисунке) у представителей разных штаммов заметно отличались. Более того, многие из этих спейсеров фактически совпадали с участками фаговых геномов, секвенированными незадолго до этого. (Результаты работы Болотина обобщены в одной из трех статей 2005 года, которые Джилл показывала мне в кафе Free Speech Movement.) Главный вывод из статьи Болотина таков: штаммы S. thermophilus, в CRISPR которых было больше таких спейсеров, оказались более устойчивыми к заражению фагами. Хотя было не особенно понятно, какое это имеет значение, казалось, что бактерии неким образом модифицируют свою ДНК в составе CRISPR, имитируя геномы определенных фагов и совершенствуя собственную иммунную систему – если предположить, что CRISPR является таковой, – чтобы эффективнее бороться с этими вирусами.

Основываясь на работе Болотина, Родольф и Филипп спланировали эксперименты для проверки этого предположения. Действительно ли штамм S. thermophilus способен повышать свою устойчивость к конкретному бактериофагу, вставляя себе в область CRISPR новые фрагменты ДНК, совпадающие с последовательностями ДНК этого фага?

В своих опытах исследователи из Danisco сосредоточились на штамме S. thermophilus, который широко используется в молочной промышленности, и на двух вирулентных фагах, выделенных из образцов фабричного йогурта. Основой методики послужили простейшие генетические эксперименты – подобные проводили с начала XX столетия. Ученые заражали популяции бактерий в отдельных пробирках двумя фагами, инкубировали их 24 часа, а затем проверяли, остались ли в этих культурах живые бактерии, высевая их в чашки Петри и оставляя их на ночь расти. Было обнаружено, что, хотя фаги уничтожили более 99,9 % бактерий, девять новых, мутировавших штаммов S. thermophilus, видимо, были устойчивы к заражению фагами.

В этой части исследования Danisco не было ничего принципиально нового, поскольку другие ученые тоже использовали сходные методы для обнаружения резистентных к фагам штаммов S. thermophilus. Но Родольф и Филипп пошли дальше. Они попытались выяснить, что именно на уровне генов обеспечивает бактериям эту наблюдаемую неуязвимость.

У Родольфа и Филиппа была одна догадка по поводу того, какая часть бактериального генома делала мутировавшие штаммы S. thermophilus устойчивыми к заражению вирусами: они подозревали, что за это отвечает CRISPR, и предполагали, что участки CRISPR у девяти новых мутантных штаммов по строению отличаются от таковых у предкового штамма. И действительно: выделив геномную ДНК из каждого мутантного штамма, исследователи обнаружили, что каждая область с CRISPR расширилась за счет вставки новых кусочков ДНК между повторами. Более того, эти новые спейсеры точно повторяли последовательности ДНК фага, к которому конкретный штамм приобрел иммунитет. Особенно примечательным казалось следующее: благодаря физическому встраиванию в область CRISPR бактериальной ДНК новоприобретенная устойчивость наследовалась и могла передаваться всем последующим поколениям при каждом делении.

Исследователи из Danisco обнаружили еще один способ борьбы бактерий с вирусами – их пятый набор вооружения. Как мы теперь знаем, в дополнение к ранее открытым системам защиты у бактерий имеется (в виде CRISPR) удивительно эффективная система противовирусного адаптивного иммунитета, позволяющая “воровать” кусочки ДНК фагов, когда последние заражают бактерии, и использовать их для обеспечения иммунного ответа в будущем. По выражению Блейка, CRISPR работал как “молекулярная карта” профилактических прививок: сохраняя память о предыдущих фаговых инфекциях в форме спейсерных последовательностей ДНК, запрятанных в рядах из повторов и спейсеров, бактерии могли использовать эту информацию для распознавания и разрушения тех же самых фагов во время новых столкновений с ними.

CRISPR: молекулярная карта профилактических прививок

С момента публикации исследования Danisco малопонятная биология CRISPR начала привлекать внимание исследователей. Кроме того, эта статья стала поводом для проведения первой посвященной CRISPR встречи, которая состоялась в Калифорнийском университете в Беркли в 2008 году и была организована Джилл Бэнфилд и Родольфом Баррангу. Однако, как это всегда бывает в науке, исследователи приоткрыли одну дверь, чтобы обнаружить за ней другую. Поскольку для иммунного ответа CRISPR требуется, чтобы последовательности ДНК в вирусном и бактериальном геноме полностью совпадали, было понятно, что эта иммунная система “целится” в генетический материал фагов, чтобы разрушить его, – но как? Какая составляющая клетки наводилась на цель?

Прошло не так уж много времени, и начал вырисовываться ответ и на этот вопрос. Стэн Броунс, постдок из лаборатории Джона ван дер Ооста в Вагенингенском университете в Нидерландах, предоставил убедительное доказательство того, что молекулы РНК задействованы в основанной на CRISPR защите от вирусов[63]. Стэн опирался на более раннее исследование, в ходе которого были обнаружены молекулы РНК, в точности совпадающие с последовательностью ДНК CRISPR в клетках архей различных видов[64] (включая обитающие в вулканах штаммы Sulfolobus, которых изучал Блейк). Это позволило предположить, что РНК может координировать в иммунном ответе стадии распознавания и разрушения фагов. А Стэн, экспериментируя с E. coli, добавил к этим наблюдениям новые сведения, подтвердив, что РНК играет эту роль в основанной на CRISPR системе защиты у совершенно иного микроорганизма, – и это послужило хорошим аргументом в пользу того, что РНК необходима для всех связанных с CRISPR иммунных систем.

Стэн также показал, каким образом в клетке синтезируются молекулы РНК CRISPR. Сначала бактериальная клетка “переводит” весь ряд элементов CRISPR в длинные цепочки РНК, с точностью до буквы совпадающие с последовательностью нуклеотидов в ДНК CRISPR (как мы помним, РНК – молекула-сестра ДНК, состоящая из тех же “букв”, с той только разницей, что “буква” Т в ДНК в РНК заменяется на У). Как только клетка синтезирует эти длинные цепочки РНК на основе CRISPR, фермент с хирургической точностью разрезает их на более короткие РНК одинаковой длины, единственное отличие между которыми – последовательности нуклеотидов в их спейсерах. В ходе этого процесса длинные повторяющиеся последовательности ДНК переводятся в библиотеку из более коротких молекул РНК, каждая из которых содержит одну последовательность, построенную на основе фрагмента генома конкретного фага.

Эти данные указали на ключевую роль, которую РНК CRISPR играет в бактериальной иммунной системе, – и для этой роли РНК идеально подходит. Поскольку РНК химически очень похожа на ДНК, она также может образовывать двойные спирали за счет комплементарных взаимодействий азотистых оснований (которые лежат и в основе знаменитой двойной спирали ДНК)[65]. Подходящие (комплементарные) цепочки РНК могут взаимодействовать друг с другом, формируя двойную спираль РНК – РНК, но и одна цепочка РНК способна соединяться с подходящей одиночной цепочкой ДНК с образованием двойной спирали РНК – ДНК. Эта вариабельность и многообразие последовательностей, обнаруженных в РНК CRISPR, подсказали ученым заманчивую идею. Казалось возможным, что молекулы РНК CRISPR способны “вывести из игры” ДНК и РНК фагов-интервентов, образуя пары с любыми из них, подходящими по последовательности нуклеотидов, и запуская в клетке некий иммунный ответ.

Если РНК в самом деле помогает таким образом “целиться” в генетический материал вирусов, то механизм CRISPR, видимо, действительно похож на механизм РНК-интерференции, который изучали в моей лаборатории, – как и предполагали авторы той статьи, которая и “подсадила” меня на изучение CRISPR! При РНК-интерференции в клетках растений и животных для разрушения вирусов-интервентов образуются двойные спирали РНК – РНК. Вероятно, весьма похожим образом – используя двойные цепочки РНК – РНК, молекулы РНК CRISPR атакуют фаговые РНК в ходе иммунного ответа. Я была очарована открывавшейся здесь дополнительной возможностью: в отличие от РНК-интерференции, молекулы РНК в механизме CRISPR были способны распознавать и комплементарную ДНК – и благодаря этому “CRISPR-оружие” могло атаковать вирусные геномы по двум фронтам сразу.

Вскоре после открытия Стэна два исследователя из Северо-Западного университета – Лучано Марраффини и его наставник Эрик Сонтхаймер (с которым мы были знакомы еще со времен, когда он учился в Йеле) – выяснили, что РНК CRISPR действительно способна управлять процессом разрушения ДНК. Работая с еще одним микроорганизмом под названием Staphylococcus epidermidis – сравнительно безобидной бактерией с поверхности кожи человека (но близкой родственницей опасного и устойчивого к антибиотикам штамма золотистого стафилококка Staphylococcus aureus), Лучано спланировал серию элегантных экспериментов, чтобы доказать, что РНК CRISPR нацеливается на ДНК генетических паразитов-вторженцев[66]. Он также показал, что это наведение на цель, скорее всего, производится за счет комплементарных взаимодействий азотистых оснований – единственного процесса, способного обеспечить специфичность, с которой CRISPR уничтожал свою жертву.

Скорость и тщательность проведения этих исследований захватывали дух. Всего за несколько лет после моего знакомства с механизмом CRISPR его изучение из россыпи интересных, но мало что объясняющих работ переросло во всеобъемлющую единую теорию устройства и работы системы приобретенного (адаптивного) иммунитета микроорганизмов. Эта теория была основана на непрерывно растущем множестве экспериментальных исследований, и, хотя к концу двухтысячных было уже опубликовано немало фундаментальных статей, было очевидно, что всем нам предстоит проделать еще больший объем работы, чтобы действительно разобраться в этой мудреной бактериальной системе защиты.

CRISPR, как мы начинали понимать, имеет гораздо более сложное строение, чем можно вообразить для какого-либо компонента простого одноклеточного организма. В некоторых отношениях открытие этой части иммунной системы бактерий поставило их на одну доску с людьми, так как продемонстрировало, что и те и другие обладают сложными формами клеточного ответа на инфекцию. Правда, никто из нас не знал, какое значение эта бактериальная система защиты может иметь для нашего вида.

Я помню, как в первый раз вошла в настоящую исследовательскую лабораторию, помню звуки, запахи и ощущение открывающихся возможностей – чувства того, как постепенно раскрываются загадки природы. Это был 1982 год, и после первого курса колледжа я приехала к родителям на Гавайи. Мой отец, профессор английского языка в Гавайском университете, договорился со своим коллегой, профессором биологии Доном Хеммесом, о том, чтобы я смогла провести несколько недель в его лаборатории. Вместе с двумя другими студентами я получила возможность исследовать, как гриб Phytophthora palmivora заражает папайю. Изучение этого гриба, доставляющего большие неприятности фермерам, выращивающим папайю, оказалось очень интересным. Он быстро и легко рос в лабораторных условиях, и его можно было фиксировать на разных стадиях развития, благодаря чему мы были способны выявить химические изменения, происходящие во время роста. Тем летом я научилась заливать образцы гриба смолой и делать с них тонкие срезы для анализа под электронным микроскопом. Хотя я посвятила этому проекту лишь небольшое время, в результате нашей работы мы обнаружили нечто важное: ионы кальция играют принципиальную роль в развитии гриба, подавая его клеткам сигнал для роста в ответ на наличие питательных веществ. Тогда я впервые почувствовала трепетное волнение, сопутствующее научному открытию, о котором я столько раз читала раньше, – и теперь мне хотелось испытать его вновь.

Атмосфера умиротворения и спокойной концентрации, характерная для маленькой исследовательской команды Дона Хеммеса, привлекла меня, однако с годами я осознала, что являюсь частью куда большего сообщества ученых и каждый из нас своим путем идет к открытию законов природы. Каждый крошечный шаг вперед был словно еще одной правильно подобранной деталью огромного пазла, в котором работа одного исследователя строится на работе других ради общей цели – сборки цельной картины.

Проект по изучению CRISPR хорошо символизирует этот аспект научной работы: несколько исследователей по всему миру работали над материалами, из которых в конце концов сложится огромная область исследования со всеми возможными последствиями и вариантами практического применения технологии. Когда мы собирали информацию о CRISPR, нашей маленькой командой двигали те же эмоции, что и множеством других ученых: чувство общности, совместной увлеченности и любопытства, – словом, те чувства, что и привлекли меня изначально в мир науки.

В те дни, когда эта область исследования только начинала развиваться, меня и Блейка заряжала энергией работа наших коллег из компании Danisco, из Северо-Западного университета и Вагенингенского университета, и в то же время нас завораживало то, как много фундаментальных вопросов о CRISPR все еще оставались без ответа. Хотя биологи тогда уже понимали, что CRISPR обеспечивает бактерии и археи адаптивным иммунитетом к фагам и что последовательности ДНК фагов, которые соответствуют РНК CRISPR, каким-то образом становятся мишенями для уничтожения, никто на самом деле не знал, как это все работает. Мы задались вопросом: каким образом различные молекулы в составе этой системы действуют сообща для уничтожения вирусной ДНК? И что конкретно происходит на этапах иммунного ответа, связанных с наведением на цель и ее уничтожением?

Мы сконцентрировались на этих вопросах и, соответственно, на задачах, которые необходимо было решить, чтобы найти ответы. Нам нужно было выяснить, каким образом бактерии вытаскивают короткие фрагменты ДНК из генома фага в разгар инфекции и точнейшим образом встраивают их в существующую структуру CRISPR – так что у защитной системы появляется возможность нацеливаться на генетический материал вируса. Также нужно было определить, каким образом молекулы РНК CRISPR вырабатываются внутри клетки и превращаются из длинных нитей в гораздо более короткие, причем каждая из этих последних содержит отдельную последовательность, совпадающую с вирусной. И – что, вероятно, наиболее важно – нам предстояло выяснить, каким образом фрагмент РНК образует пару с комплементарным ему участком ДНК бактериофага и вызывает разрушение этой ДНК. Это было главным вопросом во всей системе защиты, которую мы изучали, и мы не могли полностью понять CRISPR, не объяснив эту сторону процесса.

Нацеливание на ДНК посредством РНК CRISPR и Cas-белков

Было ясно, что для решения этих вопросов нам нужно выйти за рамки генетического исследования и применить скорее биохимический подход, который позволил бы нам изолировать молекулы, составляющие CRISPR, и изучать их поведение. Кроме того, было необходимо взглянуть на проблему в более широкой перспективе и рассматривать не только сам механизм CRISPR, но и все ассоциированные с CRISPR гены, или cas-гены, которые в бактериальных геномах примыкают к областям CRISPR и, видимо, кодируют особые типы белков – ферменты. Если коротко, этот класс белковых молекул отвечает за катализ всех видов межмолекулярных реакций в клетках. Если бы мы выяснили, что именно делают эти белковые ферменты Cas, мы бы значительно приблизились к пониманию того, как работает CRISPR.

Ученые могут многое узнать о функции гена, лишь посмотрев на его химический состав. Фрагменты ДНК, составляющие каждый ген, содержат всю информацию, необходимую клетке для сборки белков из аминокислот. Так как известен генетический код, который используют клетки для перевода четырех “букв” ДНК в двадцать “букв” белка, биологи могут определить последовательность аминокислот в белке, который будет производиться по информации с гена, зная только изначальную последовательность ДНК. Затем, сравнивая полученную последовательность аминокислот со сходными последовательностями у других, лучше изученных белков, ученые могут обоснованно прогнозировать функции многих различных генов.

Выдвигая такие многоступенчатые предположения, специалисты в области вычислительной биологии уже выяснили химический состав сотен различных cas-генов, непременно примыкающих к областям CRISPR. Какой бы организм вы ни рассматривали, правило неизменно: если в его геноме содержится ДНК CRISPR, то в непосредственной близости также будут располагаться cas-гены. Это выглядит так, словно CRISPR эволюционировал вместе с cas-генами, и их невозможно представить друг без друга.

Мы предположили, что белки, кодируемые этими cas-генами, должны вплотную работать с ДНК CRISPR – или, возможно, с молекулами РНК CRISPR, или даже с ДНК фагов. Было совершенно очевидно: прежде чем мы сможем разобраться в устройстве иммунной системы CRISPR, нам необходимо выяснить, как работают эти гены, и определить биохимические функции белков, которые они вырабатывают.

Для начала Блейк выбрал два вида бактерий – Escherichia coli и Pseudomonas aeruginosa, которые содержат определенные типы систем CRISPR. Бактерия E. coli, например, зарекомендовала себя в качестве лучшего друга биохимика. Неважно, чей ген изучает этот биохимик – микроба, растения, лягушки или человека, – работа часто начинается с внедрения этого гена в искусственную мини-хромосому (плазмиду); затем создается специализированный штамм E. coli, который примет плазмиду как часть собственного генома. Совмещая интересующий его ген с другими синтетическими ДНК-инструкциями, биохимик может заставить E. coli не только создавать десятки копий плазмиды в расчете на одну клетку, но и направлять большинство своих ресурсов на конвертирование информации с изучаемого гена в тысячи копий белка, который тот кодирует. Таким образом биохимик практически превращает E. coli в своего рода микроскопический промышленный биореактор, запрограммированный на массовую выработку определенных белков.

Блейк быстро сконструировал плазмиды из отдельных ассоциированных с CRISPR генов, скопировав последние из геномов E.coli и P. aeruginosa. Собрав десятки штаммов E. coli, которые он “научил” использовать плазмиды как часть своего генетического материала, Блейк начал литрами выращивать культуры каждого из созданных штаммов, чтобы наработать достаточно Cas-белков для своих экспериментов. Давая бактериям ночь на размножение, по утрам Блейк выливал содержимое колб с культурами в большие емкости и отделял клетки от жидкой питательной среды в больших скоростных центрифугах, в которых клетки подвергались воздействию силы, в четыре тысячи раз большей, чем сила земного притяжения. Затем, работая с каждым штаммом по отдельности, он помещал клетки в небольшое количество солевого раствора и подвергал эту жижу воздействию высокоэнергетических звуковых волн, которые резко разрывали клетки, высвобождая их содержимое – в том числе и выработанные ими Cas-белки.

После отделения лишнего материала – разрушенных мембран, вязких ДНК и прочего клеточного “мусора” – у Блейка оставалось несколько тысяч бактериальных белков, из которых ему нужен был только один: Cas-белок. Но благодаря хитроумному строению плазмиды Cas-белок содержал особенный химический ярлык, или придаток, который отличал его от остальных тысяч белков. С помощью определенной стратегии очистки (а также проведя несколько раундов дополнительной очистки) Блейк смог отделить этот молекулярный придаток и получить чистые высококонцентрированные образцы каждого из Cas-белков, которые мы хотели изучать.

Когда Cas-белки оказались в его распоряжении, Блейк наконец смог проводить различные эксперименты для изучения того, что именно делают эти ферменты. Нашим первым вкладом в область изучения CRISPR была публикация о следующем открытии: мы обнаружили, что белковый фермент под названием Cas1 мог разрезать ДНК[67] таким образом, что это, возможно, помогало вставлять новые фрагменты ДНК фага в массив CRISPR на стадии формирования памяти иммунной системы. Это приблизило нас к пониманию того, каким образом CRISPR “ворует” кусочки ДНК у атакующих фагов и встраивает эту генетическую информацию в свою собственную, закладывая основу для двух фаз иммунного ответа: наведения на цель и ее уничтожения.

Приблизительно на этом этапе Блейк привлек к работе над проектом магистрантку Рэйчел Хорвитц, и вместе они сделали еще одно открытие. Работая со вторым белковым ферментом, Cas6, Рэйчел и Блейк обнаружили, что он, как и Cas1, функционирует в качестве своего рода химического колуна[68]. Однако в случае Cas6 задача заключалась в том, чтобы избирательно и методично разрезать длинные молекулы РНК CRISPR на более короткие куски, которые могли бы быть использованы для нацеливания на ДНК фага.

По мере того как мы и другие исследователи собирали детали CRISPR-пазла, медленно, но верно начинала вырисовываться общая картина. В ней мы уже могли различить ответы на некоторые вопросы, которые поставили перед собой в начале работы над проектом. Мы видели, что нам предстоит открыть еще множество функций Cas-белков. В ходе исследования мы обнаруживали все больше и больше таких белков, которые оказывались ферментами, разрезающими ДНК или РНК, – а значит, вероятно, играли в иммунном ответе CRISPR роль, похожую на роль Cas1 и Cas6.

К 2010 году проект по изучению CRISPR расширился, в него вошли еще несколько участников моей команды, включая соавтора этой книги Сэма Стернберга, и атмосфера в лаборатории буквально искрилась от радостного возбуждения. Наше понимание CRISPR, казалось, улучшалось каждую пару недель, а у изучаемых нами ферментов открывались интересные и необычные свойства, которые, как мы понимали, могут иметь практическое применение. К примеру, мы заинтересовались идеей использования новых ферментов, разрезающих РНК, в качестве своего рода диагностического инструмента для выявления отличительных молекул РНК вирусов человека, включая вирусы лихорадки Денге и желтой лихорадки; для воплощения этой идеи мы получили грант от фонда Билла и Мелинды Гейтс. Вскоре мы стали сотрудничать с биоинженерной лабораторией в Беркли, чтобы совместить эту технологию с их инновационной системой обработки крошечных количеств жидкости для выявления вирусов в крови или слюне.

Затем в 2011 году мы с Рэйчел основали компанию под названием Caribou Biosciences, чтобы начать получать доход от Cas-белков. В то время мы мечтали создать простые наборы инструментов, которыми могли бы пользоваться ученые и даже врачи для выявления вирусной или бактериальной РНК в биологических жидкостях. Для нас обеих этот выход за пределы фундаментальных научных исследований открыл двери в удивительный новый мир. Следующей весной, защитив свою кандидатскую диссертацию, Рэйчел стала президентом и генеральным директором молодой и быстро растущей компании; я стала научным советником – эта должность позволяла мне делать вклад в проекты Caribou и вместе с тем успевать выполнять все университетские дела. Позже Caribou прославилась благодаря другой технологии, связанной с CRISPR, – куда более продвинутой.

В то время наши с Блейком основные интересы сместились с ферментов, режущих молекулы ДНК или РНК бактериальной системы CRISPR, на белки, разрезающие вирусную ДНК, – то есть в операции “найти и унитожить”, которую проводит CRISPR, они отвечают за “уничтожить”. Мы полагали, что, как только РНК CRISPR идентифицирует вирусную ДНК и соединяется с ней, специальные ферменты атакуют этот чужеродный генетический материал, разрезают его на части и обезвреживают. Интересные свидетельства в пользу этой гипотезы приходили от наших коллег по изучению CRISPR, среди которых были Сильвен Мойно из Университета Лаваля в Канаде и Виргиниюс Шикшнис из Вильнюсского университета. Исследование Сильвена показало, что ДНК фага, на которую нацеливается система CRISPR, разрезается[69] в пределах последовательности, совпадающей с РНК CRISPR, а Виргиниюс обнаружил, что уничтожение фагов в бактерии зависит от присутствия определенных cas-генов[70]. Понимание того, каким образом генетический материал фага в конечном счете разрушается в ходе иммунного ответа, подвело бы нас к пониманию сути всей системы CRISPR в целом.

Исследование Блейка в сочетании с работой наших коллабораторов в лаборатории Джона ван дер Ооста лишь приоткрыло всю сложность этого процесса уничтожения вируса. В двух бактериальных системах, которые мы исследовали, – E. coli и P. aeruginosa – клеткам нужны были многочисленные Cas-белки для нацеливания на вирусную ДНК и ее расщепления. К тому же скоординированная атака на генетический материал фага проходила в два отдельных этапа. Сначала молекула РНК CRISPR связывалась с куда более крупной структурой, содержащей, как показало исследование ван дер Ооста, около десяти или одиннадцати разных Cas-белков. Этой молекулярной машине исследователи дали яркое название Cascade (аббревиатура выражения “связанный с CRISPR комплекс для противовирусной защиты”, CRISPR-associated complex for antiviral defense), и она служит чем-то вроде GPS-координат, определяющих точную последовательность вирусной ДНК, подлежащей уничтожению. На втором этапе, после того как Cascade определяла и помечала совпадающую последовательность ДНК, подлежащую уничтожению, появлялся белковый фермент под названием Cas3 – еще одна нуклеаза и, собственно, само оружие атаки, – чтобы разрезать целевую ДНК.

Проводя опыты для серии статей, которые мы опубликовали в 2011–2012 годах, мы еще лучше поняли механику этого процесса. Используя мощь электронного микроскопа и тесно сотрудничая с профессором Беркли Эвой Ногалес и ее постдоком Гейбом Ландером, мы получили первые изображения структуры Cascade[71] в высоком разрешении. Эти изображения показали, что структура Cas-белков и молекул РНК CRISPR спиралеобразная; можно было наблюдать, как микроскопическая машина плотно оборачивалась вокруг вирусной ДНК, подобно питону, обвивающему газель. Мы были поражены, увидев, как красиво менялась ее трехмерная форма для выполнения геометрической задачи, необходимой для нацеливания на ДНК. Мы также осознали важность взаимодействий, способствующих образованию пар оснований и позволяющих “буквам” РНК CRISPR распознавать комплементарные “буквы” вирусной ДНК; мы обнаружили, что Cascade действует удивительно точно, прикрепляясь только к тем мишеням на вирусной ДНК, которые полностью или практически полностью совпадают с РНК CRISPR. Столь высокая разборчивость позволяла Cascade избегать случайного нацеливания на собственную ДНК бактерии и ее уничтожения – катастрофического аутоиммунного события, которое бы вызвало быструю смерть клетки.

Дополнительные исследования в литовской лаборатории Виргиниюса Шикшниса показали, каким образом фермент Cas3 уничтожает вирусную ДНК, которую Cascade выбрала в качестве мишени[72]. В отличие от более простых нуклеаз, Cas3 не надрезал ДНК один раз, а “разжевывал” ее на сотни кусочков. Как только Cascade отправляла Cas3 к месту, где последовательности РНК CRISPR и вирусной ДНК совпадают, Cas3 начинал двигаться вперед и назад вдоль генома фага со скоростью свыше трех сотен пар нуклеотидов в секунду, нарезая ДНК и превращая длинный геном фага в беспорядочную кучу обломков. Если более простые нуклеазы можно уподобить секатору, то Cas3 уместно сравнить с механизированными садовыми ножницами. Его скорость и эффективность поражают.

По мере того как наши коллеги делали эти удивительные открытия, а моя лаборатория продолжала получать новые биохимические и структурные данные, загадочный поначалу механизм работы CRISPR обретал ясность: становилось видно, какие молекулы входят в его состав и что они делают. Однако в то же время мы начинали осознавать, что иммунная система CRISPR представляет собой нечто вроде движущейся цели: существует не одна система, а множество ее вариаций. Некоторые ученые, включая Евгения Кунина и Киру Макарову, это уже предсказывали, сравнивая различные наборы cas-генов, примыкающих к последовательностям CRISPR; мы же открыли это явление благодаря резко возросшему количеству геномов бактерий и архей, которые к тому времени секвенировали исследователи, имевшие доступ к более совершенным инструментам. Иммунные системы CRISPR оказались очень разнообразными, и их можно было сгруппировать во множество различных категорий – у каждой свой уникальный набор cas-генов и Cas-белков.

Мы были поражены тем, насколько велико разнообразие CRISPR. В 2005 году исследователи идентифицировали девять различных типов иммунных систем CRISPR[73]. К 2011-му это число снизилось до трех – однако считалось, что в эти обширные типы входит десять подтипов[74]. А к 2015 году классификация снова поменялась: теперь она состояла из двух обширных классов, включающих шесть типов и девятнадцать подтипов[75].

Эти открытия поместили наше собственное исследование в общий контекст – и сделали очевидными ограничения нашей работы. Результаты, которые мы получали, изучая E.coli и P. aeruginosa, были справедливы только для двух подтипов систем CRISPR, которые, в свою очередь, входили в категорию иммунных систем CRISPR-Cas I типа. В то время как многие выводы наших исследований были применимы и к другим подтипам систем CRISPR, становилось все сложнее сравнивать наши данные с результатами исследования бактерий с CRISPR-системами II типа, наподобие S. thermophilus – бактерии, благодаря которой образуется йогурт и на примере которой впервые было показано существование основанного на CRISPR иммунитета.

Также нашлись некоторые занятные отличия в том, каким образом разные системы CRISPR-Cas уничтожают ДНК фага. В системах I типа (как у E. coli и P. aeruginosa) фермент Cas3 – те самые механизированные “садовые ножницы” – разрывал ДНК в клочья. Невозможно было даже рассмотреть разрушение ДНК в реальном времени, настолько быстро действовала эта крошечная машина; когда мы попытались наблюдать за реакцией в ходе эксперимента в пробирке, мы разглядели лишь молекулярный хаос, в ходе которого по всему геному фага распадались большие куски ДНК. Система II типа, обнаруженная в S. thermophilus, напротив, была более сдержанной и точной. Канадским ученым Сильвену Мойно и Жозиану Гарно во время работы с командой из Danisco удалось фиксировать состояния геномов фагов из инфицированных клеток, пока они подвергались разрушению иммунной системой CRISPR. В процессе, характерном для более простых нуклеаз, механизм, разрезавший фаговую ДНК в S. thermophilus, больше напоминал ножницы: он работал точно в том месте, где “буквы” вирусного генома совпадали с “буквами” РНК CRISPR.

Хирургическая точность фермента Cas в S. thermophilus впечатляла – однако мы знали о белке в этой системе II типа несравненно меньше, чем о ферменте в системе I типа. Ни один из описанных мной или Блейком белков в машине Cascade, которая в одиночку выполняла нацеливание на ДНК в системе CRISPR E. coli (I тип), не присутствовал в системе S. thermophilus (II тип). Более того, мы не знали точно, каким образом ферменты II типа взаимодействуют с РНК CRISPR для определения места разреза в вирусной ДНК.

Какой фермент был главным оружием в системе II типа, если не Cas3? Благодаря чему происходило нацеливание на ДНК в этой системе – да, благодаря РНК CRISPR, но чему еще? Ответы на эти вопросы помогли бы нам понять, как природа решает одну и ту же молекулярную задачу – разрушение вирусной ДНК – различными путями, и постигнуть, а может быть, даже и “приручить” мощный новый тип бактериальной иммунной системы.

Эта загадочная защитная система, созданная природой, обнаруживала черты, странным образом напоминающие свойства искусственно созданных нуклеаз – программируемых ферментов, разрезающих ДНК; эти ферменты все чаще использовались для внесения изменений в определенные участки ДНК клеток в ходе редактирования генома. Хотя иммунная система CRISPR II типа в S. thermophilus, как оказалось, не редактировала ДНК фага, а просто уничтожала ее, однако способность системы находить и вырезать определенные последовательности ДНК не отличалась – по крайней мере принципиально – от функций уже существующих инструментов для редактирования генома: ZFN и TALEN. Но были также и существенные различия, и два вопроса в особенности беспокоили исследователей CRISPR: что за фермент отвечает за разрезание ДНК в системе II типа и как он работает?

Поскольку я все еще была сосредоточена на системах I типа, меня бы, возможно, и не затянуло в это новое направление исследований, если бы не случайная счастливая встреча с коллегой, чья лаборатория располагалась практически на другом конце света и о чьей работе я лишь читала. Эта случайная встреча вдохновила меня на то, чтобы направить свои усилия на понимание CRISPR в новом свете, и стала началом судьбоносного творческого союза: благодаря этому союзу было открыто удивительное свойство системы CRISPR, о котором раньше мало кто мог подозревать.

Весной 2011 года я отправилась из Беркли в Пуэрто-Рико, чтобы принять участие в ежегодной конференции Американского общества микробиологов. Для ученых подобные конференции – отличный способ познакомиться с коллегами, узнать о новейших достижениях в своей области и отдохнуть от каждодневной лабораторной рутины. Хотя я и не была регулярной участницей этой конференции, на этот раз меня пригласили, чтобы я рассказала о работе моей лаборатории с CRISPR; к тому же я знала, что на конференции будет и Джон ван дер Оост, – к тому времени мы уже дружили и иногда сотрудничали, и я с нетерпением ждала возможности пообщаться лично. Кроме того, мне хотелось получше узнать Пуэрто-Рико. Однажды я уже была на острове в годы моей магистратуры, и мне запомнилось, насколько его чудесные тропические леса и виды на океан напоминают мои родные Гавайи.

Вечером второго дня конференции мы с Джоном заскочили в какое-то кафе, чтобы захватить с собой в аудиторию, где намечалась следующая серия выступлений, по стаканчику кофе. За угловым столиком сидела стильная молодая женщина. Джон представил нас друг другу, и, как только он произнес ее имя – Эммануэль Шарпантье, в моей голове молнией пронеслось воспоминание.

Студенты из моей лаборатории рассказывали мне о восхитительной лекции, которую Эммануэль прочитала в Вагенингене на небольшой конференции, посвященной CRISPR. Я не могла присутствовать там, однако, по словам моих подопечных, доклад Шарпантье был посвящен иммунной системе CRISPR II типа бактерии Streptococcus pyogenes. Поразмыслив, я поняла, что ее статья на ту же тему незадолго до этого была опубликована в журнале Nature[76] и вызвала вспышку радостного возбуждения в моей лаборатории. До выхода статьи все мы думали, что в каскадах реакций CRISPR участвует всего один вид молекул РНК. Однако Эммануэль и ее коллега Йорг Фогель, уже долгое время изучавшие функции небольших бактериальных РНК в своей лаборатории, по счастливому стечению обстоятельств обнаружили вторую молекулу РНК, которая в некоторых случаях была необходима для выработки РНК CRISPR. Это открытие поразило других исследователей CRISPR, показав, насколько многообразен бактериальный иммунитет, – создавалось впечатление, что эволюция создала своего рода швейцарский армейский нож для борьбы с вирусами.

Во время нашей короткой беседы Эммануэль говорила тихо и держалась скромно, однако я также отметила ее тонкое чувство юмора и приятную непринужденность в общении. Мне она сразу понравилась. На следующий день после утренних выступлений у нас выдалось свободное время. Я планировала посидеть во дворике и поработать на компьютере, но Эммануэль пригласила меня посмотреть старый Сан-Хуан, и я не смогла отказаться. Прогуливаясь по мощенным булыжником улочкам, которые напомнили Эммануэль о доме в Париже, где она провела детство, мы болтали о том, где успели побывать за недавнее время, сравнивали наши впечатления от университетских систем в Беркли и в Швеции (куда как раз переместилась ее лаборатория) и обсуждали лекции, которые только что прослушали на конференции. В конце концов беседа зашла о нашей научной работе, и Эммануэль призналась, что уже некоторое время собирается позвонить мне и предложить сотрудничество.

Ей очень хотелось узнать, каким образом в патогенной бактерии, которую она изучала, Streptococcus pyogenes, система CRISPR II типа разрушает вирусную ДНК. Работа Эммануэль, как и более ранние генетические исследования Сильвена Мойно, Виргиниюса Шикшниса и других коллег, все больше наводила на мысль, что в процессе был задействован как минимум один ген – он называется csn1. Так вот, не хочу ли я объединить с ней усилия и использовать наработки моей лаборатории в области биохимии и структурной биологии, чтобы помочь определить функцию белка, кодируемого геном csn1? Когда мы спускались по узкой улочке к сияющему океану, Эммануэль повернулась ко мне: “Я уверена, что, работая вместе, мы сможем понять, что делает этот загадочный Csn1”. Приятная дрожь проходила по моему телу, когда я обдумывала перспективы этого проекта.

Я была заинтригована идеей поработать с CRISPR-системами II типа, в которых отсутствовали Cascade и белки Cas3. И если этот загадочный белок Csn1 действительно участвует в разрезании ДНК в системах II типа, то сотрудничество с Эммануэль могло дать моей лаборатории шанс внести вклад в эту область исследований CRISPR.

Меня манила и сама эта новая бактерия. В качестве экспериментального объекта S. pyogenes обладала некоторыми интересными сходствами и различиями с бактерией S. thermophilus, используемой в производстве йогурта. Последняя к тому моменту стала одним из самых популярных организмов у исследователей CRISPR. Для начала, обе бактерии принадлежат к одному роду, Streptococcus, и иммунная система CRISPR S. pyogenes казалась очень похожей на иммунную систему S. thermophilus. Хотя у каждой бактерии собственный набор фагов-мишеней, молекулярная основа систем у них одна и та же и кодируют CRISPR одни и те же гены, поэтому перейти с изучения одной бактерии к другой было бы несложно.

И все же S. pyogenes играет в нашей жизни совершенно иную роль, нежели S. thermophilus. Исследование S. thermophilus имеет значение для экономики из-за широкого использования этой бактерии в молочной промышленности – для производства сыра и йогурта. Стоит отметить, что S. thermophilus – это единственный штамм из рода Streptococcus, который признан безопасным для людей и других млекопитающих. В то же время S. pyogenes и все остальные представители этого рода – патогены для нескольких видов млекопитающих, включая и наш. Поразительно большое количество человеческих болезней связано с этой бактерией. S. pyogenes – одна из десяти самых частых причин смертельных инфекционных заболеваний у представителей нашего вида, и каждый год из-за нее происходит свыше полумиллиона смертей[77]. Среди болезней, виновником которых может стать S. pyogenes, – токсический шок, скарлатина, стрептококковое воспаление горла, а кроме того, жуткий некротический фасциит, из-за которого S. pyogenes получила неприятное прозвище “плотоядная бактерия”.

Таким образом, изучение S. pyogenes имеет большое значение для медицины, и это также повышает ее привлекательность для исследователей. На самом деле именно желание изучить патогенность S. pyogenes привело Эммануэль в область CRISPR. Система CRISPR, как она надеялась, сможет дать нам новые способы борьбы со стрептококковыми инфекциями, а это помогло бы спасти бесчисленное количество жизней.

К счастью для исследователей, эту опасную бактерию можно изучать в том числе и способами, сводящими риски к минимуму. Когда Эммануэль обратилась ко мне с предложением о сотрудничестве, было ясно, что S. pyogenes в моей лаборатории будет изучаться исключительно in vitro (от латинского “в стекле”), а не in vivo (от латинского “в живом”). Нам предстояло проводить эксперименты в пробирках с очищенными белками и молекулами РНК и ДНК, а не с живыми клетками и фагами. Нам не нужно было выращивать культуры S. pyogenes в чашках Петри с овечьей кровью или работать в изолированной лаборатории, чтобы гарантировать, что этот смертельно опасный патоген не распространится за ее пределы. Мы также могли использовать E. coli, нашу лабораторную “рабочую лошадку”, для безопасной массовой выработки отдельных генов и белков из S. pyogenes, не подвергая сотрудников, работающих с бактериями, риску заражения.

Во время полета обратно в Калифорнию после конференции в Пуэрто-Рико я думала о предложенном мне сотрудничестве и о том, кого из моей лаборатории я бы могла попросить стать руководителем проекта. К 2011 году изучение CRISPR в моей лаборатории велось значительно более масштабно, чем в начале проекта: теперь в моей команде было несколько постдоков, аспирантов и руководителей экспериментов, работавших над различными аспектами биологии CRISPR и созданием инструментов на его основе. Но практически каждый был занят своим проектом, и я не решалась никого обременить дополнительной работой.

Но потом меня осенило: у меня был идеальный кандидат – невероятно талантливый и трудолюбивый постдок из Чехии, время стажировки которого в моей лаборатории подходило к концу. Он уже ходил на собеседования на преподавательские должности, однако упомянул, что ищет какую-нибудь новую тему для своего последнего года в Беркли.

Мартин Йинек был прямой противоположностью Блейка. Блейк – душа компании, а Мартин более сдержан и замкнут. Столкнувшись с какой-нибудь трудностью в проведении эксперимента или с незнакомой техникой, Блейк немедленно находил кого-то, кто мог бы ему помочь; Мартин же в таких случаях обращался к книгам и решал проблему самостоятельно – конечно, если он к этому моменту еще не знал решения. Его познания в биологии и биохимии были энциклопедическими, что доказывал не только обширный список его научных публикаций, но и многообразие его научных интересов. И, что важнее всего, – он разбирался в CRISPR. С того самого момента, как он пришел в мою лабораторию, чтобы изучать РНК-интерференцию у человека, он тесно сотрудничал с Блейком и Рэйчел, помогая им завершить несколько проектов, связанных с CRISPR.

Мартин отреагировал с энтузиазмом, когда я рассказала ему об идее сотрудничества с Эммануэль. Он также предложил пригласить в проект Михаэля (Михи) Хаузера, магистранта из Германии, который должен был прибыть в мою лабораторию летом. Я согласилась: лишняя пара рук никогда не помешает. Чем больше я узнавала о загадочном белке, с которым работала Эммануэль, тем больше убеждалась, что в нем было нечто особенное – нечто, что поможет раскрыть самые сложные тайны CRISPR.

Фермент Csn1 называли по-разному, пока летом 2011-го за ним окончательно не закрепилось название Cas9. И хотя уследить за сменами его названия становилось все сложнее по мере того, как я все глубже погружалась в изучение существующей литературы о Cas9, я была уверена в неоспоримой важности этого белка. Работа Родольфа и Филиппа 2007 года показала, что дезактивация гена, кодирующего белок Cas9, нарушает способность S. thermophilus отражать атаки вирусов. Более того, когда Жозиан и Сильвен обнаружили, что геномы фагов разрезаются во время иммунного ответа CRISPR, они также открыли, что дезактивация гена, кодирующего Cas9, не дает CRISPR уничтожить вирусную ДНК. Подобным образом в опытах Эммануэль с S. pyogenes мутации в гене, кодирующем Cas9, приводили к дефектам в выработке молекул РНК CRISPR и в целом вредили работе иммунной системы. Наконец, результаты работы, проведенной Родольфом и Филиппом осенью 2011 года в лаборатории Виргиниюса Шикшниса, предполагали, что cas9 – единственный известный рабочий cas-ген в системе CRISPR S. thermophilus, абсолютно необходимый для противовирусного ответа.

Чем больше я читала об этом, тем яснее становилось, что белок Cas9, скорее всего, играет ключевую роль на том этапе иммунного ответа систем CRISPR II типа, который связан непосредственно с разрушением ДНК. Это белок был совершенно необходим в бактериях рода Streptococcus, однако казалось разумным, что любой критически важный компонент одной из групп систем II типа будет критически важен и для всех других. Однако какую именно роль играл Cas9, еще только предстояло определить.

Мы с Мартином позвонили Эммануэль по скайпу, чтобы начать строить стратегию наших экспериментов с Cas9. Выбрать момент для этого звонка было непросто, и это лишь подчеркивало организационные сложности нашего сотрудничества. Сама Эммануэль находилась в университете Умео в Северной Швеции, в десяти часовых поясах от Калифорнии, а Кшиштоф Чилински, аспирант, отвечавший за проект ее лаборатории по изучению CRISPR, работал в Венском университете (где раньше располагалась лаборатория Эммануэль). В общем, нам предстояло согласовать работу международной команды: французский профессор в Швеции, польский аспирант в Австрии, а в Беркли – немецкий магистрант, чешский постдок и американский профессор.

Когда удобное для всех время было найдено, мы начали в общих чертах обсуждать предстоящий проект. Мы у себя в лаборатории сначала представляли себе движение к цели весьма прямолинейным: нам нужно понять, как выделить и очистить белок Cas9, – чего пока не смогли сделать в лаборатории Эммануэль. Получив белок Cas9, мы могли бы начать биохимические опыты, чтобы узнать, взаимодействует ли Cas9 с РНК CRISPR (мы предполагали, что да), а также понять, что он делает во время противовирусного иммунного ответа.

Кшиштоф, магистрант Эммануэль, прислал нам искусственную хромосому, содержащую ген cas9 из S. pyogenes, а Михи принялся за работу над очищением белка под пристальным контролем Мартина. Сначала Михи помещал синтетическую ДНК в различные штаммы E.coli, а затем, варьируя условия роста и типы питательных сред, последовательно проверил десятки различных параметров, чтобы подобрать протокол, при котором получается максимальное количество белка Cas9 (словно садовник, пробующий различные комбинации почв и удобрений, чтобы определить оптимальные условия для роста нового цветка). Затем с помощью хроматографии (эта технология позаимствована из химии) Михи протестировал различные методы “вскрытия” клеток и отделения Cas9 от других клеточных белков. Наконец, он определил стабильность очищенного белка Cas9. Некоторые белки капризнее других и портятся после одного лишь применения – обычно они слипаются друг с другом и выпадают в осадок, подобно микроскопическим снежинкам, из-за чего совершенно прозрачная пробирка с белковым раствором становится молочного цвета. Другие же молекулы демонстрируют замечательную выносливость – например, их можно неоднократно замораживать и размораживать. Нам повезло: Cas9 относился ко второй категории.

Наконец, пришло время провести первый биохимический опыт. Когда Михи и Мартин выделяли и очищали белок Cas9, мы предположили, что проявление любой связанной с разрезанием ДНК активности, свойственной конкретному белку, зависит от наличия РНК CRISPR. В системах CRISPR I типа, которые изучали в нашей лаборатории, РНК CRISPR собиралась вместе с множеством Cas-белков для формирования машины для соединения с ДНК и ее разрезания. Мы предполагали, что Cas9 может работать с РНК CRISPR подобным образом. В соответствии с этой идеей компьютерный анализ последовательности аминокислот Cas9 показал возможное присутствие не одной, а двух отдельных структур для разрезания нуклеиновых кислот, или нуклеаз, внутри фермента. Возможно, один или оба эти участка были способны резать ДНК фага.

Так как время Михи в лаборатории уже подходило к концу (ему нужно было вернуться в Германию, чтобы доделать диссертацию, и билет на самолет был уже куплен), они с Мартином поставили перед собой задачу выяснить, способен ли очищенный фермент Cas9 разрезать ДНК. Синтезировав рабочую молекулу РНК CRISPR, которую идентифицировала Эммануэль во время работы над S. pyogenes, они смешали РНК CRISPR, белок Cas9 и образец ДНК. Что важно, использованная в экспериментах ДНК содержала последовательность “букв”, совпадающих с последовательностью на одном из концов РНК CRISPR.

Как это часто бывает в науке, этот эксперимент обернулся разочарованием. Никаких изменений в ДНК не наблюдалось; после воздействия Cas9 и комплементарной РНК CRISPR она оставалась точно такой же, как и до этого. Либо Михи не выполнил эксперимент с должной аккуратностью, либо Cas9 все-таки был лишен способности разрезать ДНК. Михи представил результаты сотрудникам лаборатории и в несколько подавленном настроении отправился домой, уверенный, что целое лето, занятое сложной работой по выделению, очищению и изучению Cas9, потрачено впустую.

Пока наше сотрудничество с Кшиштофом и Эммануэль еще только набирало обороты, Мартин курировал работу Михи в лаборатории, но также продолжал поиски вакансии преподавателя. Он проходил собеседования по всему миру – в том числе, например, в Швейцарии (где он в конце концов и станет доцентом в Цюрихском университете). Однако, к счастью для нас, к тому моменту, когда Михи отправился домой, график поездок Мартина тоже стал значительно менее напряженным, поэтому он смог продолжить начатое Михи, полностью сосредоточившись на Cas9 – и на поисках ответа на вопрос, в чем именно заключается функция этого белка.

Работа Михи и Мартина вроде бы показывала, что Cas9 неспособен разрезать ДНК, однако, возможно, что-то было не так с самим экспериментом? Возможностей было множество: от тривиальных (например, белок мог распасться в пробирке) до более сложных (например, мог отсутствовать необходимый компонент реакции). Чтобы проверить эту вторую версию, Мартин и Кшиштоф начали пробовать различные способы проведения эксперимента по разрезанию ДНК. Благодаря очередной забавной случайности, которых полна эта история, они узнали, что выросли практически через границу друг от друга: Кшиштоф – в Польше, а Мартин – в стране, которая тогда называлась Чехословакия. Оба они говорили по-польски, что стало отличным подспорьем для все более частых разговоров по скайпу, в ходе которых они обменивались мыслями о своих экспериментах.

В конце концов Кшиштоф и Мартин провели опыты, где они использовали не только РНК CRISPR, но и второй тип РНК, названный трансактивационной РНК (tracrRNA), который, как обнаружили в лаборатории Эммануэль, был необходим для выработки РНК CRISPR у S. pyogenes. Результат оказался простым, однако он очень много значил для нас: ДНК, в которой 20 “букв” точно совпадали с эквивалентами в молекуле РНК CRISPR, была аккуратно вырезана. Контрольные эксперименты показали, что совпадение последовательностей РНК CRISPR и ДНК необходимо – как и присутствие белка Cas9 и трансактивационной РНК.

В сущности, эти результаты моделировали то, что происходит в клетке во время иммунного ответа CRISPR с минимальным набором компонентов; никаких клеточных молекул, помимо Cas9 и двух молекул РНК, которые выглядели так же, как они выглядят внутри клетки Streptococcus pyogenes. Плюс еще молекула ДНК с такой же последовательностью, как в геноме фага. Более важным казался тот факт, что двадцать этих “букв” ДНК совпадают с “буквами” РНК CRISPR, – это означало, что РНК CRISPR и одна из двух нитей ДНК способны образовать свою собственную двойную спираль путем комплементарного взаимодействия оснований. Такая двойная спираль ДНК – РНК могла быть ключом к специфичности активности Cas9, связанной с разрезанием ДНК.

Наблюдение за реакцией разрезания ДНК в пробирке требовало высокоточного метода регистрации, поскольку увидеть непосредственно факт разрезания ДНК невозможно. Двойная спираль ДНК в 50 “букв” имеет длину всего 17 нанометров, или 17 миллиардных частей метра, а это приблизительно одна тысячная толщины человеческого волоса. Даже самый мощный микроскоп неспособен нам этого показать, поэтому Мартин и Кшиштоф использовали два любимых инструмента биохимиков, изучающих нуклеиновые кислоты: радиоактивный фосфор и гель-электрофорез. В новых опытах к концам молекул ДНК с помощью химических реакций присоединялись атомы радиоактивного фосфора, и в результате эти молекулы начинали светиться на рентгеночувствительной пленке. Затем электрический ток высокого напряжения прогонял все эти молекулы ДНК через большой брусок желеобразного материала, который работал как молекулярное сито, сортирующее молекулы по размеру. После просвечивания геля рентгеновским излучением на нем становились видны участки (полосы) сигнала, в том случае если ДНК была разрезана Cas9: одна полоса от полноразмерной ДНК и другая – от ДНК, поделенной на два фрагмента.

Cas9 разрезает молекулу ДНК на два фрагмента

В дальнейшем Мартин показал, что обе нити ДНК разрезаются белком Cas9 в одном и том же месте относительно РНК CRISPR. Что важно, РНК CRISPR и молекулы трансактивационной РНК оставались неизменными на протяжении эксперимента и потому могли быть использованы белком Cas9 повторно для определения последовательности ДНК, подлежащей разрезанию.

Проанализировав эти результаты, мы поняли, что у нас есть ключевые компоненты машины, разрезающей ДНК, – механизма, позволяющего S. pyogenes и S. thermophilus (и любой другой бактерии со сходным типом системы CRISPR) не только находить определенные последовательности ДНК фагов, но и уничтожать их. Необходимыми компонентами для разрезания ДНК были фермент Cas9, РНК CRISPR и трансактивационная РНК.

Я ликовала, когда мы получили эти результаты, но при этом меня волновало множество новых вопросов, ответы на которые нам хотелось узнать как можно скорее. Чтобы понять, за счет чего конкретно фермент Cas9 способен разрезать ДНК “по наводке” РНК, нам нужно было определить, какой участок белка обеспечивает его режущую функцию. Чтобы доказать, что разрезание ДНК специфично и требует совпадения между РНК CRISPR и последовательностью ДНК, нам нужно было изменять последовательность ДНК “буква” за “буквой” и показать, что разрезания не происходит, если последовательности РНК и ДНК совпадают не полностью. А чтобы выявить, каким образом работают молекулы РНК CRISPR и трансактивационной РНК, нам предстояло методически убирать разные фрагменты каждой из молекул и определять, без каких из них невозможно обойтись.

Мартин и Кшиштоф работали над решением этих вопросов не покладая рук, и вскоре стала вырисовываться удивительная картина: Cas9 может присоединяться к двойной спирали ДНК, разделять две нити для формирования новой спирали между РНК CRISPR и одной из нитей ДНК, а затем использовать две структуры с нуклеазной активностью, чтобы одновременно разрезать обе нити ДНК, создавая двуцепочечный разрыв. В зависимости от последовательности связанной с ним молекулы РНК Cas9 нацеливается практически на любую произвольную последовательность ДНК и разрезает ее. По сути, молекула РНК CRISPR действует подобно набору GPS-координат, точно наводя Cas9 на нужное место в длинной молекуле ДНК в соответствии с совпадением “букв” РНК CRISPR и ДНК. Это по-настоящему программируемая нуклеаза, которая могла бы нацеливаться на любую произвольную последовательность ДНК, используя все те же правила спаривания оснований – А с Т, Г с Ц и так далее. Для любой двадцатибуквенной последовательности, которую содержит РНК-проводник, Cas9 находит подходящую пару в ДНК и затем разрезает ее.

Функция Cas9 в битве между бактериями и вирусами теперь казалась совершенно объяснимой. Снабженный запасом молекул РНК, взятых из массива CRISPR, в котором были собраны кусочки ДНК фагов, Cas9 можно мгновенно перепрограммировать на разрезание соответствующих участков вирусных геномов. Он оказался совершенным бактериальным оружием: снаряд, который умеет находить вирусы, а потом поражать цель – быстро и с невероятной точностью.

Получив результаты работы Мартина и Кшиштофа, мы были готовы заняться следующим вопросом: если бактерия могла запрограммировать Cas9 на разрезание специфических последовательностей ДНК вирусов, можем ли мы, как и предполагали раньше, запрограммировать Cas9 на разрезание других последовательностей ДНК, не обязательно вирусных? Мы с Мартином были хорошо осведомлены о достижениях в области редактирования генома и о возможных перспективах – а также существенных ограничениях – программируемых нуклеаз на основе ZFN и TALEN. Мы осознавали – и были поражены этим, – что обнаружили систему, на основе которой можно построить самый простой метод редактирования генома из всех, что были открыты и разработаны до сих пор.

Но чтобы превратить эту крошечную молекулярную машину в мощный инструмент редактирования генома, предстояло сделать еще один шаг. К тому времени мы уже разобрали сложный иммунный ответ на простые части, которые можно разделять, изменять и комбинировать по-разному. Более того, тщательно проведя биохимические эксперименты, мы установили молекулярные правила, управляющие функциями этих различных частей. Теперь же мы хотели удостовериться, что можем видоизменять Cas9 и молекулы РНК для нацеливания на любую выбранную последовательность ДНК и для ее уничтожения. Если сможем – значит, CRISPR поистине мощный инструмент.

Процесс программирования машины CRISPR-Cas9 на самом деле состоял из двух этапов: из проработки идеи и собственно эксперимента. Сначала, конечно, идея. Мартин со своей обычной дотошностью методично модифицировал обе молекулы РНК – молекулу РНК CRISPR, отвечающую за наведение на цель, и молекулу трансактивационной РНК, которая удерживает вместе молекулы РНК CRISPR и Cas9 (с тем чтобы определить, каким образом каждая “буква” каждой РНК влияет на ее функции). На основе этой информации мы с Мартином придумали способ слить две молекулы РНК в одну. Если соединить конец одной молекулы с началом другой, то итоговая гибридная РНК – если она вообще окажется работоспособной – поможет нам упростить машину для нарезки ДНК, которую мы программируем: нам не придется добавлять к Cas9 две молекулы РНК – гида (РНК CRISPR) и помощника (трансактивационную РНК). Вместо этого мы сможем использовать фермент в сцепке с единственной молекулой РНК – РНК-гидом, который выполнял бы обе задачи. Снижение сложности системы сильно повысило бы удобство ее применения.

Мы продумали эксперимент в соответствии с этой идеей. Нам нужно было проверить, может ли одна эта гибридная молекула РНК все так же направлять Cas9 к подходящей последовательности ДНК для разрезания последней. Также наш эксперимент должен был показать, действительно ли Cas9 можно запрограммировать на разрезание любой желаемой последовательности ДНК (как мы предполагали), а не только тех последовательностей ДНК фагов, которые были естественным путем отобраны системой CRISPR в ходе эволюции бактерий.

Исходя скорее из удобства, чем какого-либо предпочтения, – мы понимали, что совершили серьезный прорыв, и не хотели откладывать эксперимент из-за того, что под рукой нет подходящего гена, – мы решили использовать ген медузы, кодирующий зеленый флуоресцентный белок (green fluorescent protein, GFP). Этот белок широко используется в лабораториях по всему миру для визуализации клеток и белков в их составе и стал настолько важным биотехнологическим инструментом, что в 2008 году принес группе ученых: Мартину Чалфи, Осаму Симомуре и Роджеру Тсиену – Нобелевскую премию по химии. Мартин Йинек выбрал пять различных последовательностей длиной в двадцать “букв” внутри гена-мишени и затем создал пять гибридных молекул РНК, точно совпадающих с ними. Как только гибридные РНК-гиды были готовы, мы использовали их вместе с Cas9 и ДНК медузы в уже привычном для нас опыте по разрезанию ДНК и стали ждать результатов.

Когда Мартин показал мне результаты эксперимента с GFP на одном из лабораторных компьютеров, рентгенограмма на экране монитора выглядела замечательно. Все ДНК GFP были разрезаны в заданных местах. Каждая гибридная молекула РНК сработала именно так, как нужно, выбрав именно тот участок ДНК медузы, который мы хотели надрезать и в паре с Cas9 разбить ее именно в том месте.

Программируемая нарезка ДНК посредством CRISPR-Cas9

Мы сделали это. За короткое время мы создали и протестировали новую технологию, которая, основываясь на исследованиях белков ZFN и TALEN, давала возможность редактировать геном – любой геном, а не только геномы бактериофагов. Из этой пятой системы вооружения бактерий мы сделали средство для переписывания кода жизни.

В тот вечер, пока я стояла у плиты и готовила ужин, в моей голове танцевали видения этой крошечной машины: Cas9 и его направляющая РНК, снующие по бактериальной клетке, охотящиеся на комплементарные последовательности ДНК. Внезапно я осознала, что громко смеюсь. Как же невероятно, что эта бактерия нашла способ запрограммировать для себя белок, сделав из него воина для поиска и уничтожения вирусной ДНК! И как же здорово, какое это фантастическое везение, что мы смогли приспособить этот фундаментальный механизм для совершенно других нужд. Это было удивительное время чистого наслаждения, наслаждения от открытия – такого же чувства, какое я испытала в лаборатории доктора Хеммеса много лет назад.

В июне 2012 года Эммануэль и Кшиштоф прилетели в Беркли на конференцию, благодаря чему у нас с Мартином появился шанс снова увидеться с ними лично. Учитывая, какой путь мы проделали вместе как ученые, было удивительно, что наше общение до того момента было почти полностью виртуальным. После бесчисленных телефонных звонков, бесед по скайпу и обмена электронными письмами мы все сидели в моем кабинете в Беркли, поражаясь результатам нашего недолгого, но интенсивного сотрудничества.

Эммануэль и Кшиштоф прибыли в Калифорнию на пятую ежегодную конференцию, посвященную CRISPR, – мероприятие, которое в 2012 году собрало исследователей из двадцати – тридцати лабораторий. Большинство этих ученых специализировались на науке о продуктах питания и микробиологии. CRISPR пока что еще не привлекал особенного внимания более широкого научного сообщества; за предшествующее десятилетие было опубликовано лишь около двухсот научных статей с упоминанием этой системы. Но мы знали, что скоро все изменится.

Время конференции не могло быть выбрано лучше – или хуже. С одной стороны, мы могли сравнить нашу работу с работами коллег. С другой стороны, предшествующие несколько недель были невероятно, до исступления бурными, и все мы хотели отдохнуть.

После эксперимента с GFP мы решили завершить проект как можно быстрее и опубликовать научную статью по его итогам. Еще до того, как Мартин и Кшиштоф закончили свои опыты, а наши зарубежные коллабораторы стали готовиться к поездке в Беркли, мы с Эммануэль начали писать ее.

Главной темой статьи было объяснение механизма работы CRISPR для противовирусной защиты у S. pyogenes, но мы также хотели отметить некоторые важные следствия из наших результатов. В аннотацию к статье мы включили упоминание того, что программируемый фермент, разрезающий ДНК, может быть использован для редактирования генома. Вдобавок мы завершили статью коротким, но значимым очерком возможных областей применения CRISPR не только в бактериях, но и в других типах клеток. Упомянув ZFN и TALEN, мы в заключение написали следующее:

Мы предлагаем альтернативный метод, основанный на программируемом с помощью РНК ферменте Cas9, который может представлять значительный потенциал для применения в сферах направленного воздействия на гены и редактирования генома[78].

Сидя за компьютером в солнечную пятницу восьмого июня 2012 года, я нажала на кнопку “Подтвердить” в форме для представления статей на рассмотрение в журнал Science. Ее опубликуют всего двадцать дней спустя, 28 июня, и после этого уже ничто не будет прежним – ни для меня, ни для моих соратников, ни для биологической науки. В тот момент, однако, мое восхищение этим знаковым моментом было приглушено. Я была измотана, как никогда в жизни.

У меня появилось ощущение, что я сидела за столом много недель, поэтому я поднялась и – в некотором оцепенении – вышла из Стэнли-холла в полный зелени кампус Беркли. Лужайка вокруг круглого бассейна перед нашим зданием была подозрительно пустой. Весенний семестр закончился уже почти месяц назад; в кампусе, обычно бурлящем жизнью, было пугающе тихо.

И это, как я теперь понимаю, было затишье перед бурей.

Примерно через год после того, как наша статья о CRISPR вышла в журнале Science, я оказалась в Кембридже, штат Массачусетс, – в первой своей поездке по стране для обсуждения нашего открытия (впоследствии такие поездки случались каждый месяц).

То был июнь 2013-го, и я отправилась в Гарвардский университет, чтобы встретиться там с восходящей звездой с местной кафедры изучения стволовых клеток и регенеративной биологии. Кабинет профессора Кирана Мусунуру находился в здании имени Шермана Фэйрчайлда, в котором я слушала лекции по химии в 1980-х, когда была аспирантом. Тридцать лет спустя здание снаружи выглядело почти так же, но внутри его полностью обновили. Ушли в прошлое старомодные потоковые аудитории и биохимические лаборатории с устаревшим оборудованием. На смену им пришли белые, просторные, ярко освещенные помещения, оборудованные по последнему слову техники. В тот день, когда я была там, это современное пространство кипело жизнью: десятки исследователей работали сообща ради разгадки самых глубоких тайн клеток и тканей.

В некотором смысле преобразование Фэйрчайлд-билдинг – особенно смещение фокуса внимания с фундаментальной биохимии на прикладную биологию – совпадало с той метаморфозой, что произошла в моем мировосприятии и научной работе. Предыдущий год пронесся как ураган. Исследователи со всего мира – гораздо больше, чем могла бы вместить любая лаборатория, – быстро подхватили полученные нами сведения о биохимических свойствах CRISPR-Cas9 и стали их применять. Они уже успели использовать эти новые знания, чтобы изменить нужным образом ДНК бесчисленного множества организмов, включая генетический материал клеток человека. И ученые, и врачи воспринимали CRISPR как священный Грааль генетических манипуляций: быстрый, простой и точный способ устранить дефекты генетического кода. Будто в мгновение ока я перенеслась из области изучения бактерий и биологии CRISPR-Cas в мир медицины и биологии человека. Для такого узкоспециализированного ученого, как я, это был квантовый скачок – как если бы я заснула в Беркли и проснулась на Марсе.

Моя встреча с Мусунуру была прекрасной иллюстрацией ажиотажа вокруг этой новой технологии. Я приехала в Гарвард, чтобы обсудить варианты применения CRISPR в лечебных целях, но Киран уже был на шаг впереди меня. Прежде чем мы прошли в его кабинет, он пригласил меня прогуляться по лаборатории. В ходе этой экскурсии он живо описал мне множество способов применения CRISPR, которые его сотрудники использовали для разработки методов лечения генетических заболеваний.

Одной из мишеней экспериментов его команды, объяснил Киран, была серповидноклеточная анемия – состояние, при котором одна мутация в ДНК нарушает способность красных кровяных телец разносить кислород по телу. Сотрудники лаборатории использовали CRISPR для того, чтобы найти и вырезать мутировавший ген бета-глобина, тем самым запуская возвращение “правильного” Т, 17-го по счету нуклеотида в гене, на место “неправильного” А. И если бы у них получилось доработать технологию на реальных человеческих клетках в лаборатории, то были бы все основания предполагать, что того же самого можно достичь и у пациентов – и таким образом заложить основы терапии, позволяющей устранить саму причину генетического заболевания.

Я вслед за Кираном подошла к монитору, на котором слева направо одна под другой отображались длинные цепочки нуклеотидов ДНК. Мусунуру указал на две последовательности в верхней части экрана и объяснил, что они представляют собой “буквы” ДНК бета-глобина из клеток крови двух пациентов – здорового и страдающего серповидноклеточной анемией. Ожидаемо, что у здорового человека семнадцатый нуклеотид в этом гене был Т, а у больного – А.

Затем Киран обратил мое внимание на самую нижнюю строчку. Последовательность ДНК там также была взята из гена бета-глобина пациента с серповидноклеточной анемией, но после того, как ученые ввели ему в кровь три элемента CRISPR-системы. Первым из них был набор генетических инструкций из Streptococcus pyogenes для синтеза белка Cas9. Второй элемент представлял собой построенную на основе информации от CRISPR молекулу направляющей РНК, составленную таким образом, чтобы она взаимодействовала точно с мутировавшим участком гена бета-глобина. Третий элемент – это специально синтезированная замена фрагмента ДНК, кусочек “здоровой” последовательности гена бета-глобина, которую клетки используют для починки этого гена после того, как Cas9 его разрезал. Киран применил систему CRISPR-Cas9, чтобы вырезать определенную целевую часть генома, а также пометить место разреза таким образом, чтобы сама клетка могла заменить дефектную последовательность на нужную, правильную.

Взглянув на нижнюю часть монитора, я, к своему восторгу, увидела, что именно это и произошло: последовательность ДНК у больного серповидноклеточной анемией теперь была неотличима от той, что взяли у здорового человека. Используя CRISPR, сотрудники Кирана с идеальной точностью заменили вызывающую заболевание “букву” А на нормальную “букву” Т, никак не изменив при этом другие участки генома. В простом эксперименте с использованием клеток крови пациента они показали, что система CRISPR-Cas9 способна вылечить заболевание, поражающее миллионы людей по всему миру и приводящее к инвалидности.

В тот вечер я вышла на пробежку по набережной реки Чарльз. Я не раз бегала здесь, пока работала над получением степени доктора философии, а теперь, когда рядом снова струились такие знакомые воды Чарльза, я чувствовала, будто снова вернулась в те времена. Пока я бежала, память уносила меня назад, к обсуждениям репарации ДНК, большинство которых вращалось вокруг исследования, которое опубликовали мой научный руководитель Джек Шостак и его аспирантка Терри Орр-Вивер. В то время многие ученые были озадачены предложенной ими моделью, которая описывала, каким образом клетки устраняют повреждения двойной спирали ДНК. В еще большее замешательство всех привело предположение, выдвинутое Марией Джесин и ее коллегами из Мемориального онкологического центра имени Слоуна – Кеттеринга: ученые могут использовать механизмы устранения этих повреждений для изменения требуемых последовательностей ДНК. Однако эта стратегия сработала для предшествующих технологий, таких как ZFN и TALEN, и теперь мы наблюдали воочию, что это предположение оказалось верным и для CRISPR. Более того, основанный на CRISPR метод редактирования генов было гораздо проще применять. Вытеснит ли он более старые технологии так же, как компакт-диски вытеснили магнитофонные кассеты (а те, в свою очередь, вытеснили виниловые пластинки)? Я размышляла об этом, пока бежала от Гарвард-сквер до моста Лонгфелло и обратно, и совершенно не замечала, как вокруг меня сменяется городской пейзаж: его затмевал рой мыслей о CRISPR.

Что действительно воодушевляло меня, так это мысль, что методика, которую использовали в лаборатории Кирана, может быть применима и при массе других генетических заболеваний. Если ученые смогут безопасно и эффективно доставлять CRISPR в тело человека, так что нужный ген будет отредактирован и у пациентов, и у клеток в культуре, то возможности для преобразования медицины будут безграничными. Впрочем, реализация этой “безграничности” потребует такого количества ресурсов и рабочих рук, сколько ни одна исследовательская лаборатория не в состоянии предоставить – если будет действовать отдельно от других. Именно поэтому я и некоторые мои коллеги подумывали о том, чтобы основать компанию по разработке методов лечения, основанных на CRISPR, – собственно, это и было целью моего визита в Кембридж. Мы мечтали приспособить CRISPR для лечения генетических заболеваний – это был бы метод, совершенно недоступный раньше.

Во время череды встреч летом и осенью 2013-го из пяти человек составилась команда организаторов этой гипотетической компании: Джордж Чёрч, Кит Джоунг, Дэвид Лю, Фэн Чжан и я. В ноябре 2013-го мы основали Editas Medicine, получив от трех венчурных фирм финансирование в размере 43 миллионов долларов. Всего шестью месяцами позже Эммануэль стала соосновательницей другой компании, CRISPR Therapeutics, с начальным капиталом 25 млн, а в ноябре 2014-го на сцену вышла и третья компания – Intellia Therapeutics, с финансированием на первом этапе также 25 миллионов долларов. К концу 2015-го эти три компании собрали совокупно еще более полумиллиарда долларов инвестиций для исследований и разработок методов лечения множества заболеваний – от кистозного фиброза и серповидноклеточной анемии до миодистрофии Дюшенна и врожденной формы слепоты. И все – с использованием технологии CRISPR, которую впервые разработали и описали мы с Эммануэль.

Какими бы невероятными ни казались возможности применения CRISPR в медицине, все же требуются еще годы для того, чтобы эта технология “доросла” до клинических испытаний. А пока в ее исследование вовлекалось все больше и больше коллективов, так как в мировом научном сообществе быстро распространялась информация, что редактирование генов в живых клетках теперь можно осуществить всего за несколько дней. Многие эксперты прогнозировали, что CRISPR станет воплощенной мечтой ученых-биологов и позволит проводить эксперименты, о которых раньше можно было только мечтать. Я представляла себе, что это сделает технологию более доступной и она перестанет быть привилегией меньшинства. До CRISPR редактирование генов требовало сложных протоколов проведения, колоссального уровня научных знаний и умений и существенных финансовых вливаний, а еще это удавалось сделать лишь на нескольких видах модельных организмов. А ко времени моего визита в Гарвард даже в тех лабораториях, где раньше не работали с редактированием генов, уже применяли CRISPR.

Времена, когда упоминание CRISPR на семинаре или научной конференции вызывало по большей части непонимающие взгляды, давно прошли. Теперь казалось, что CRISPR буквально у всех на устах и его упоминают в каждом разговоре. И тем не менее это было еще только верхушкой айсберга.

Сидя в самолете Бостон – Сан-Франциско на обратном пути из той первой поездки в Кембридж, я уже видела на горизонте новую эру генетического “управления войсками” – эру, в которой CRISPR преобразит арсенал инструментов биолога, позволив ученым переписывать геном буквально любым образом, каким они пожелают. Из неудобочитаемого документа, с трудом поддающегося переводу, геном станет таким же податливым, как фрагмент литературного произведения в руках умелого редактора. Представляя себе эти новые широкие возможности, я с трудом верила, насколько быстро развились события с момента первых успешных попыток Мартина и Кшиштофа запрограммировать CRISPR на нарезку ДНК в пробирке. А теперь научное сообщество оказалось в стремительно расширяющемся круге света – и для него открывались всё новые невероятные прозрения о том, как работает CRISPR и как однажды его станут использовать для улучшения здоровья человека.

В экспериментах, опубликованных в статье в Science 2012 года, Мартин и Кшиштоф продемонстрировали нечто совершенно новое: что ассоциированный с CRISPR белок под названием Cas9, изолированный из плотоядных бактерий, взаимодействует с двумя молекулами РНК для нацеливания на подходящие двадцатибуквенные последовательности ДНК и их разрезания. РНК играет роль проводника, указывая “GPS-координаты” для атаки, а Cas9 действует как орудие для уничтожения цели. У бактерий, инфицированных вирусом, аппарат CRISPR был мобилизован для разрезания и уничтожения определенных молекул ДНК вируса – это было частью адаптивного иммунного ответа.

Виргиниюс Шикшнис и его коллеги осенью 2012-го опубликовали статью, сходную с нашей[79]; она описывала функции белка Cas9, найденного в производящих йогурт бактериях, относящихся все к тому же роду стрептококков. Как и мы, литовские исследователи обнаружили, что Cas9 разрезает последовательности ДНК, “буквы” которых подходят к “буквам” РНК CRISPR. Но команда Шикшниса не смогла раскрыть важнейшую роль второй РНК (так называемой трансактивационной РНК, tracrRNA), которая, как удалось показать нам, была неотъемлемой частью реакции нацеливания на нужный участок ДНК и разрезания этой молекулы.

В своей статье мы максимально подробно описали молекулярные требования этой защитной системы и показали, насколько легко и просто можно настроить новые версии CRISPR для разрезания ДНК любым нужным образом. Мы сделали еще один шаг вперед и из направляющей РНК, состоящей у бактерий из двух отдельных молекул РНК (РНК CRISPR и трансактивационной РНК), сделали одну молекулу РНК-гида, тоже дающую Cas9 возможность находить и вырезать определенную последовательность ДНК. Мы также предположили, что эту систему защиты можно настроить на выполнение других функций в клетках – например, не на разрушение вирусной ДНК, а на прицельное редактирование ДНК самой клетки. Если мы поменяем двадцатибуквенный код РНК таким образом, чтобы он был комплементарен последовательности отдельно взятого человеческого гена, и затем введем Cas9 и новую направляющую РНК в клетки человека, CRISPR сделает хирургически точный разрез в гене-мишени, отметив это место как нуждающееся в репарации. Разрезав ДНК, CRISPR приведет клетку в полную боевую готовность, и она устранит внутри себя повреждения – но так, что мы сможем контролировать этот процесс.

Как мы предполагали, использование CRISPR в человеческих клетках подтвердит широту возможностей этого нового способа редактирования генов. И для этих предположений были веские причины. Наше собственное исследование показало, что белок Cas9 и его направляющая РНК очень избирательны и крепко связаны друг с другом, а это свидетельствует, что они без проблем найдут друг друга в человеческой клетке. А что касается отправки их в клеточное ядро, где расположена ДНК, то тут нам достаточно присвоить этим молекулам подходящий химический “адрес получателя”, и клетка сама сделает остальную работу за нас. До этого сотрудники многих лабораторий преуспели в переносе белков и молекул РНК от бактерий в клетки человека, и в нашем распоряжении было немало молекулярно-биологических инструментов, которые помогли бы CRISPR работать должным образом и за пределами его обычных мест обитания.

Нам оставалось только показать, что все работает именно так, как мы и предположили.

Мартин начал с переноса бактериальной ДНК, кодирующей Cas9, и синтезированной на основе информации от CRISPR РНК в две плазмиды – небольшие колечки ДНК, которые ведут себя как искусственные мини-хромосомы. Первая плазмида содержала генетические инструкции для направляющей РНК, а также отдельные инструкции для человеческих клеток, чтобы они тоже понемногу производили такие молекулы РНК. Во второй плазмиде находился ген cas9, но он был “гуманизирован”[80], чтобы его могли прочесть белок-синтезирующие аппараты человеческих клеток. Мартин также слил с геном cas9 еще два гена, часто используемых биологами: один, совсем небольшой, под названием клеточный сигнал ядерной локализации, направляющий белок в клеточное ядро, и ген зеленого флуоресцентного белка, благодаря которому каждая человеческая клетка, производящая белок Cas9, должна была засветиться зеленым, если на нее подействовать ультрафиолетом.

Соединив все эти молекулярные компоненты в единую систему, мы с Мартином намеревались превратить человеческие клетки в фабрики для производства CRISPR, которые, сами того не ведая, штампуют молекулы, запрограммированные на разрезание заданных частей собственного генома. И еще мы знали, что CRISPR не убьет человеческие клетки “шинкованием” ДНК, как он делает это с вирусами в бактериях, разрезая вирусную ДНК. ДНК человека (да и всех эукариотических организмов, если уж на то пошло) постоянно получает повреждения – например, это происходит, когда она подвергается воздействию канцерогенных веществ, ультрафиолета либо рентгеновского излучения. И чтобы приводить в порядок поврежденную ДНК, клетки разработали хитроумные системы репарации двуцепочечных разрывов в ней. Таким образом, в самом вероятном сценарии, если CRISPR вырежет нужный ген, клетка ответит на это просто “склеиванием” фрагментов молекулы ДНК обратно в единое целое, будто приварит одну металлическую трубу к другой. Ученые именуют этот процесс негомологичным соединением концов, ведь он, в отличие от гомологичного, не требует ДНК-шаблонов для починки молекулы. (Слово “гомологичный” происходит от греческого homologos, означающего “согласный с законом”.)

Ключевая особенность этого процесса репарации – заложенная в самой его природе небрежность. Как сварщик перед работой должен удостовериться, что у обеих труб очищены торцы, подлежащие сварке, так и клетке перед соединением фрагментов разорванной ДНК тоже нужно убедиться, что концы этих фрагментов чистые. Создание чистых концов иногда требует удаления или вставки нескольких “букв” ДНК, что приводит к изменениям состава генов после окончания процесса репарации. Это означает, что ген, скорее всего, изменится после “атаки” и вырезания его CRISPR и последующей починки за счет клетки. Этот неточный и порождающий ошибки способ репарации должен был обеспечить нам с Мартином простой метод выявления успешных попыток редактирования генов. Выбирая в качестве мишени конкретный ген и анализируя последовательность его нуклеотидов буква за буквой до воздействия CRISPR и после него, мы могли бы найти любой признак неаккуратной репарации, а это доказало бы, что CRISPR обнаружил свою цель и разрезал ее.

Мы с Мартином решили запрограммировать CRISPR таким образом, чтобы он атаковал человеческий ген, который называется ген легкой цепи клатрина A (CLTA) и задействован в эндоцитозе – процессе, который клетки используют для захвата питательных веществ и гормонов. Мы не изучали эндоцитоз, но ген CLTA уже был отредактирован по более старой технологии ZFN в лаборатории профессора Дэвида Друбина, которая тоже находится в Беркли. Поэтому мы знали, что редактирование этого гена возможно, а тестирование CRISPR на материале, на котором уже изучали ZFN, помогло бы нам выявить сходства и различия действия двух методов. Конечно, создание инструмента на основе ZFN для редактирования CLTA требовало нескольких месяцев работы и тесного сотрудничества с компанией, бесплатно предоставившей команде Дэвида ZFN (в то время разработка одного ZFN стоила непозволительно дорого – 25 000 долларов). В случае Мартина все было совсем иначе: ему потребовалось всего несколько минут, чтобы смоделировать на компьютере аналогичный[81] вариант CRISPR, и синтезировать нужные молекулы можно было за несколько десятков долларов. В конце концов, это и есть одно из главных преимуществ CRISPR – то, что вам фантастически легко указывать в качестве мишени определенные гены. Все, что нужно было сделать, – выбрать желаемую двадцатибуквенную последовательность ДНК для редактирования и затем перевести ее в соответствующий двадцатибуквенный код РНК. Когда эта РНК окажется в клетке, она соединится с подходящей последовательностью ДНК по принципу комплементарности, и Cas9 разрежет ДНК.

Экспериментальной площадкой для нашего первого испытания редактирования генома должны были стать клетки линии HEK 293. Впервые полученные в 1973 году из клеток почки абортированного плода, клетки HEK 293 снискали популярность среди специалистов в клеточной биологии благодаря простоте их культивирования в лаборатории и тому, насколько легко они принимали в себя чужеродную ДНК. Когда мы смешали две плазмиды (одну – с генетическими инструкциями по производству Cas9 и вторую – с генетическими инструкциями по сборке направляющей РНК) в маслянистом растворе молекул, которые называются липидами, то мини-хромосомы (плазмиды) стали спонтанно захватываться жировыми пузырьками, очень похожими на капли жира на поверхности куриного бульона. После того как мы добавили эту смесь к культурам клеток HEK 293, жировые пузырьки должны были слиться с клеточными мембранами и выбросить содержащуюся в них ДНК внутрь клеток. Оказавшись в клетке, ДНК подверглась бы копированию, транскрипции и трансляции, в результате чего получатся белок Cas9 и направляющая РНК, специфически связывающая ген CLTA. Разрезающий ДНК аппарат должен был затем транспортироваться внутрь ядра, где находились наши целевые последовательности ДНК. Мы предполагали, что он найдет правильную двадцатибуквенную последовательность ДНК и разрежет ее. А клетка починит поврежденную ДНК таким образом, что мы это заметим.

Эксперименты Мартина тут же продемонстрировали, что мини-хромосомы действительно давали клеткам человеческой почки возможность производить компоненты CRISPR. Когда Мартин изучал эти клетки под микроскопом, он увидел, что значительная доля клеток светилась зеленым, что могло получиться только в результате образования Cas9, связанного с зеленым флуоресцентным белком. Собрав часть клеток и превратив их в кашицу для анализа различных содержащихся в них молекул РНК, Мартин также обнаружил, что клетки почки производили солидные количества направляющей РНК.

Перенос CRISPR из бактериальных клеток в человеческие сработал так, как мы ожидали, но оставался один резонный вопрос: редактирует ли CRISPR ДНК человека?

Мартин и Александра Ист-Селетски, молодая студентка, недавно присоединившаяся к проекту, измельчили еще некоторое количество клеток, выделили из них ДНК и проанализировали состав гена CLTA. Ошибки быть не могло: ген был отредактирован именно на участке, точно совпадающем с последовательностью направляющей РНК. Для неспециалиста результаты не выглядели впечатляющими – какие-то темные полоски на тонкой пластинке гелеподобного материала, – однако выводы из этих “полосок” и потенциальные применения этих выводов имели грандиозное значение.

Всего в несколько простых и хорошо отработанных стадий мы с Мартином выбрали произвольную последовательность ДНК в состоящем из 3,2 миллиарда “букв” геноме человека, спроектировали вариант CRISPR для ее редактирования и стали наблюдать, как крохотная машинерия выполняла то, на что была запрограммирована, – и не где-нибудь, а в живых человеческих клетках. Своими результатами мы подтвердили работу новой технологии, дающей ученым удивительную способность переписать код жизни с хирургической точностью и поразительной простотой. В мгновение ока CRISPR по своему развитию догнал технологии редактирования генома, исследование и разработка которых шли почти двадцать лет.

Редактирование ДНК в человеческих клетках c помощью CRISPR

Фактически в такой же спешке, как и шестью месяцами ранее, когда мы готовили публикацию с Кшиштофом и Эммануэль, мы написали текст научной статьи с изложением наших новейших результатов. Если наша первая публикация 2012 года содержала прямое указание на то, что CRISPR следует применить в качестве новой платформы редактирования генома в клетках, то во второй статье уже содержались четкие демонстрация и подтверждение внушительных возможностей этой недавно открытой системы.

Когда 2012-й подходил к концу, я ощущала заметную иронию, читая, что журнал Science, опубликовавший нашу статью о CRISPR всего за полгода до этого, поставил редактирование генома на вторую строчку списка прорывов года (первое место отдали бозону Хиггса), но упомянул в этом пункте более старую технологию, TALEN, открытую непосредственно перед началом нашей работы с CRISPR. Мне было интересно, какие еще сюрпризы CRISPR преподнесет научному сообществу.

К моему глубокому удовлетворению, первые две недели 2013 года ознаменовались публикацией еще пяти научных статей о CRISPR (не считая нашей)[82], и все они описывали сходные эксперименты, в которых эту систему применяли для редактирования генов непосредственно в клетках – как мы и предсказали в 2012-м. И профессор МТИ Фэн Чжан, и гарвардский профессор Джордж Чёрч предварительно связывались со мной, чтобы сообщить о готовящихся публикациях. Статьи Чжана и Чёрча появились на сайте журнала Science в начале января, а чуть позже в том же месяце вышли и наша с Мартином статья, и три другие за авторством профессора Джин Су Кима из Сеульского национального университета, профессора Рокфеллеровского университета Лучано Марраффини и профессора Гарвардской медицинской школы Кита Джоунга.

Это было бурное время. Меня окрыляло то, что наша с Эммануэль работа, опубликованная предыдущим летом, вдохновила других ученых на проведение серий экспериментов, подобных нашим. Лишь позднéе содержание этих статей и даты их публикации начали скрупулезно разбирать и сопоставлять для обоснования той или иной позиции в патентных спорах о CRISPR – досадный поворот событий в истории, которая начиналась как сотрудничество исследовательских коллективов, в атмосфере неподдельного общего восторга по поводу того, что смогут дать человечеству наши исследования!

Сравнив все шесть статей, я осознала, что суммарно в этих экспериментах было отредактировано больше дюжины разных генов. Еще больше радовало разнообразие типов клеток, подвергшихся редактированию. Вдобавок к редактированию генома клеток эмбриональной человеческой почки механизм CRISPR был запрограммирован на то, чтобы разрезать ДНК в клетках человека, пораженных лейкемией, стволовых клетках человека, клетках нейробластомы мыши, бактериальных клетках и даже одноклеточных эмбрионах данио-рерио, популярного модельного организма для генетических исследований. CRISPR не просто демонстрировал отдельные признаки успешного применения; он показывал невероятную гибкость в использовании. Казалось, что любой ген можно сделать мишенью CRISPR, разрезать его и отредактировать, если в клетке присутствует белок Cas9, а направляющая РНК имеет участок, комплементарный двадцатибуквенному коду ДНК.

Ажиотаж вокруг CRISPR усилился в мае, когда лаборатория Рудольфа Йениша в МТИ сообщила о создании мышей с геномом, отредактированным с помощью CRISPR[83]. Всего шестью годами ранее Нобелевскую премию по физиологии или медицине присудили нескольким ученым за разработку методов внедрения изменений в геном мышей – наиболее популярных модельных животных в изучении генетики млекопитающих. Более двадцати лет этот эффективный, но трудоемкий метод был наилучшим – и фактически единственным – способом воспроизведения в организмах мышей мутаций, вызывающих рак или другие болезни у человека. В 1974-м Йениш стал первым, кто создал трансгенную мышь, чьи клетки содержали чужеродный генетический материал, а пятнадцатью годами спустя он вновь вызвал сенсацию, одним из первых применив этот метод, удостоенный Нобелевской премии. А сейчас успех Йениша с CRISPR привлек внимание к новой технологии, которая не просто вытеснила старый подход, но и давала возможность без сучка и задоринки редактировать геномы других животных.

Предыдущий метод редактирования генома нуждался в эмбриональных стволовых клетках, масштабном обратном скрещивании[84], скрещивании различных линий животных и во множестве поколений мышей; нередко главным результатом какой-нибудь кандидатской диссертации становилось создание и описание всего одной линии генетически модифицированных мышей. Аналогичных результатов команда Йениша, используя CRISPR, достигла всего за месяц, применив простой четкий протокол – микроинъекции компонентов CRISPR непосредственно в одноклеточный эмбрион с последующей имплантацией эмбрионов с отредактированными геномами в матку самки. Более того, эти исследователи показали, что для отдельно взятого CRISPR не обязательно программировать только одну направляющую РНК; их может быть много, и тогда они способны нацеливать Cas9 на разрезание и одновременное редактирование нескольких последовательностей ДНК в эмбрионах мышей. Такой вариант одноступенчатого множественного редактирования генов раньше никогда не применяли на мышах.

Возможно, самое прекрасное в работе Йениша – по крайней мере, с точки зрения генетиков, работающих не с мышами, а другими животными, – так это то, что в ходе нее был открыт почти не требующий усилий способ редактирования генома едва ли не любого организма. И если изначальный метод с применением эмбриональных стволовых клеток применяли только на мышах, то теперь создавалось впечатление, что CRISPR можно ввести в любые половые клетки (яйцеклетки и сперматозоиды) или эмбрионы – и генетические изменения на выходе точно скопируются во все клетки и всегда будут передаваться будущим поколениям. В тот момент я не могла вообразить, что расширение области применения CRISPR на человеческие эмбрионы породит одну из самых сложных этических дискуссий вокруг CRISPR – и в эту дискуссию очень скоро затянет и меня.

Создание мышей с геномом, отредактированным с помощью CRISPR

Летом 2013-го, восхищаясь, с какой скоростью распространяется метод CRISPR, я начала составлять список всех типов клеток и всех видов живых организмов, чьи геномы уже были отредактированы с использованием этой технологии. Сначала это было легко: в январе-феврале список включал в себя данио-рерио и культуры клеток бактерий, мышей и человека, потом к нему добавились дрожжи, живые мыши, плодовые мушки и микроскопические черви. К концу того же года в перечень вошли крысы, лягушки и гусеницы шелкопряда. За следующий год я добавила в список кроликов, свиней, коз, асцидий и обезьян – и после этого, как я честно признавалась слушателям на семинарах, где рассказывала о своем списке, потеряла счет. Наблюдение за тем, как молекулы белков и РНК, в природе служащие для защиты бактерий от вирусов, все шире используются для разрезания и точного редактирования последовательностей ДНК самых разнообразных животных, захватывало дух.

Однако метод находил применение не только на животных. Ботаники, пусть они сначала и двигались медленнее, тоже открывали для себя невероятный потенциал CRISPR в редактировании ДНК сельскохозяйственных и диких растений. Вал публикаций осенью 2013-го сообщал об успешном применении CRISPR для редактирования генома в главных пищевых культурах, таких как рис, сорго и пшеница, а год спустя список “отредактированных” растений расширился за счет сои, помидоров, апельсинов и кукурузы.

Перечень “откриспрованных” растений и животных продолжал расти. К 2016-му исследователи успели отредактировать ДНК едва ли не во всех организмах – от капусты, огурцов, картофеля и грибов до собак, хорьков, жуков и бабочек. Даже вирусам, этим биологическим объектам на границе живого и неживого – они неспособны самостоятельно размножаться, но тем не менее обладают наследственным материалом, – переписали геномы с помощью CRISPR, то есть той самой бактериальной системы, которая изначально сформировалась для их уничтожения.

Стоит отметить, что хотя взрослые Homo sapiens – это вид животных, к которым CRISPR будет применен в самую последнюю очередь, клетки человека подвергались экспериментам по редактированию генома чаще, чем клетки какого-либо другого организма. Ученые вводили CRISPR в клетки легкого, чтобы исправить генную мутацию, вызывающую кистозный фиброз, в клетки крови, чтобы устранить мутации, приводящие к серповидноклеточной анемии и бета-талассемии, и в мышечные волокна, чтобы избавиться от мутаций, служащих причиной миодистрофии Дюшенна. Исследователи использовали CRISPR для редактирования и исправления мутаций в стволовых клетках, которые впоследствии можно трансформировать практически в любые типы клеток, составляющие самые разнообразные ткани тела. А еще ученые отредактировали с помощью CRISPR тысячи генов в раковых клетках человека в попытке найти новые мишени для противораковых лекарств и новые методы лечения онкологических заболеваний.

Но если и было что-то более вдохновляющее, чем наблюдение за тем, как CRISPR используют едва ли во всех вообразимых организмах, так это свидетельства того, как расширяются сами границы редактирования генома. В 1980-х ученые довольствовались редактированием отдельных генов с эффективностью всего в несколько долей процента. К началу 2000-х доля успешных попыток выросла до нескольких (обычно не больше трех) процентов, плюс теперь стало возможно изменять гены еще парой новых способов. Но с появлением CRISPR редактирование генома стало давать столько разнообразных возможностей, что его начали называть геномной инженерией – этот термин отражает беспрецедентные возможности манипуляций с генетическим материалом, находящимся внутри живых клеток.

Применяя CRISPR к самым различным организмам, ученые разработали и доработали множество подходов к редактированию ДНК. В дополнение к простому разрезанию ДНК и вставке новых последовательностей в геном-мишень исследователи теперь могут выводить из строя гены, переставлять последовательности в генетическом коде и даже исправлять ошибки всего в одной “букве”, как и продемонстрировал Киран Мусунуру, когда я была у него в лаборатории. Эти достижения, в свою очередь, дали исследователям возможность проводить новые типы экспериментов на представителях царств растений и животных, включая наш собственный вид. Так что перед тем как продолжить рассказ о спектре применений редактирования генома, важно понять множество потенциальных применений этого невероятно многофункционального инструмента.

Весной 2014-го учитель шестого класса, в котором учился мой сын Эндрю, пригласил меня к ним на урок объяснить ученикам, что такое CRISPR. Я почла за честь это приглашение, но при этом волновалась: как же мне понятно рассказать о редактировании генома детям, у которых есть только самые базовые знания о ДНК?

Я решила принести с собой напечатанную на 3D-принтере модель белка Cas9 и его направляющей РНК, связанной с ДНК. Эта модель стала главным украшением моего кабинета: ее ярко-оранжевая РНК и бриллиантово-голубая ДНК сплелись с белоснежным белком в структуру размером с футбольный мяч; вместе их удерживали магниты. Я рассудила, что детали молекулярных механизмов в основе CRISPR будут сложны и неинтересны для школьников, и решила просто отдать им “футбольный мяч”, чтобы они, передавая его друг другу, смогли рассмотреть структуру вблизи.

Я недооценила любознательность школьников. Практически сразу же после того, как я отдала им модель, они нашли способ разорвать ДНК в месте, где ее разрезает Cas9, и поняли, как помещать ДНК внутрь системы CRISPR и извлекать ее оттуда. А я так волновалась, что не смогу объяснить им все эти сложные принципы!

Как я сказала ребятам, CRISPR можно представить себе как сделанные на заказ молекулярные ножницы, поскольку их основная функция – “садиться” на заданные двадцатибуквенные последовательности ДНК и разрезать обе цепи двойной спирали. Однако варианты результатов редактирования генома, которых могут добиться ученые, поразительно разнообразны. По этой причине CRISPR лучше сравнить не с ножницами, а со швейцарским ножом, множество функций которого обеспечивает одна и та же молекулярная машина.

Простейший вариант применения CRISPR одновременно и наиболее популярный: систему используют, чтобы вырезать определенный ген и затем дать клетке возможность устранить повреждение повторным соединением цепей ДНК. Этот неточный и чреватый ошибками процесс оставляет явные следы – короткие вставки или делеции ДНК (инделы), стоящие по бокам от последовательности, вырезанной CRISPR. Даже несмотря на то, что ученые не в состоянии контролировать, как именно пройдет процесс репарации ДНК в каждом конкретном случае использования CRISPR, они понимают, насколько полезным может быть такой вариант редактирования генома.

В конце концов, гены – всего лишь носители информации, что-то вроде чертежей здания; цель редактирования генома состоит не в том, чтобы просто изменить чертеж, а в том, чтобы поменять форму здания, которое вы собираетесь построить. Во многих случаях это означает изменение структуры белков, которые кодируются генами и производятся клетками при экспрессии этих генов.

Экспрессия генов – это процесс, в ходе которого не имеющие значения по отдельности “буквы” ДНК дают начало функциональным белкам в соответствии с центральной догмой молекулярной биологии. Сначала в ядре клетки создается временная копия информации с ДНК, именуемая матричной РНК (или мРНК). Как и цепочка ДНК, мРНК представляет собой последовательность нуклеотидов, и она совпадает с таковой для ДНК, которую она воспроизводит (с единственным значимым отличием – тимины (Т) заменены на урацилы (У)). Матричная РНК выводится из клеточного ядра и доставляется к фабрике по производству белков под названием рибосома, а рибосома переводит информацию с основанного на четырех буквах (А, Г, Ц и У) языка РНК на язык белков, алфавит которого состоит из двадцати букв (различных аминокислот). Перевод производится согласно генетическому коду – шифру, в котором каждая тройка “букв” РНК, называемая кодоном, указывает рибосоме, какую одну аминокислоту ей добавить к уже имеющейся цепочке. (Поскольку различных кодонов 64, а аминокислот, которые надо закодировать, только 20[85], многие аминокислоты обозначаются несколькими кодонами, а три кодона служат сигналами остановки, обрывающими синтез белка.) Рибосома собирается на одном конце мРНК и, начиная с него, без пропусков читает один за другим кодоны в составе этой молекулы, добавляя необходимые согласно “правилам перевода” аминокислоты к растущему белку до тех пор, пока не достигнет противоположного конца мРНК; процесс во многом похож на сборку автомобиля на конвейере. Для корректной работы этой системы критически важно, чтобы рибосома работала только с правильной трехбуквенной рамкой считывания; даже минимальный сдвиг этой рамки способен привести к катастрофическим последствиям для процесса трансляции.

Чтобы лучше это понять, представьте себе, что из предложения “Собака тяпнула почтальона за ногу” убрали первую букву и заново разбили предложение на “слова” прежней длины. У вас получится бессмысленное “Обакат япнулап очтальоназ ан огу”. Если рибосома сделает нечто подобное при чтении генетического кода, она соберет на основе искаженного бессмысленного сообщения совершенно неправильную последовательность аминокислот. Ну а если, предположим, получившаяся каша из символов РНК содержит один из трех вариантов стоп-кодонов, процесс трансляции прервется раньше времени. Экспрессия генов нарушится.

Отсюда следует главное свойство CRISPR как средства редактирования генома: он может нарушить способность гена служить источником информации для создания функционирующего белка. Если в отредактированном CRISPR гене появится небольшая вставка или удаление (делеция), структура мРНК, которая была произведена на основе информации от этого гена, также будет нарушена. В большинстве случаев эти лишние или недостающие “буквы” нарушат четкую структуру элементов генетического кода, сгруппированного в тройки, так что белок окажется либо совершенно не таким, каким должен быть, либо, что гораздо вероятнее, вообще не синтезируется. В любом случае белок не сможет корректно выполнять свои функции. Генетики называют это явление “нокаут гена” (KO), по аналогии с боксом: ген тут успешно “вырубили”, и он больше ничего не способен сделать.

Нокаут генов с помощью CRISPR

Когда специалисты по генетике животных начинали использовать CRISPR, они собирались создать четко проявляющие себя генные нокауты. Одной из их излюбленных мишеней был ген под названием TYR. Он возник более полумиллиарда лет назад и широко распространен среди животных, растений и грибов; этот ген кодирует белок тирозиназу, участвующий в процессе синтеза меланина – важного пигмента. Мутации TYR у людей приводят к недостаточности тирозиназы и вызывают кожно-глазной альбинизм I типа – генетическое нарушение, для которого характерны дефекты зрения, бледная, слабо пигментированная кожа и красные глаза. Если CRISPR запрограммировать на редактирование мышиной версии гена TYR, то вызовет ли его действие альбинизм у мышей? В 2014 году коллектив ученых из Техасского университета спроектировал версию CRISPR, атакующую двадцатибуквенную последовательность ДНК в гене TYR, и ввел ее в оплодотворенные мышиные яйцеклетки[86]. Развившиеся из них грызуны поразили ученых: хотя все их родители имели шерстку нормального темного цвета, многие мышата родились с красными глазами и абсолютно белой шкуркой. Такой результат можно было объяснить только мутациями в ДНК, нарушившими дешифровку гена TYR. Изменение цвета кожи, шерсти и глаз мышей было именно таким четким признаком нокаутирования гена, как того и хотели исследователи.

Хотя по результатам секвенирования ДНК всегда можно подтвердить факт редактирования генома, прелесть использования гена TYR в качестве мишени заключалась в том, что ученые могли увидеть результаты своих экспериментов воочию. Простой подсчет числа черных (тех, у которых редактирования генома не произошло) и белых (тех, чей геном оказался отредактирован) мышат дал удивительно точную оценку эффективности CRISPR. Кроме того, аналогичным способом можно было следить за изменением этой эффективности во времени, по мере того как в различных лабораториях оптимизировали строение и создание CRISPR-систем. В работе техасцев только 11 % потомства родителей, чьи зиготы были отредактированы, были полными альбиносами, и немалое количество мышат на фотографиях этих пометов были черно-белыми – и порой черного у них в шерсти было заметно больше, чем белого. Не прошло и года, как исследовательский коллектив из Японии повторил эти эксперименты с минимальными изменениями методики и добился эффективности в 97 %[87]: шерсть тридцати девяти из сорока мышат сияла белизной, а пигментов в радужке не было. Всего за несколько недель ученые точно заданным образом навсегда изменили генофонд целого поколения мышей (и всех их будущих потомков) – таким образом, каким это никогда не задумывала природа.

Генные нокауты – лишь один из множества подходов к редактированию генома, которые ученые довели до совершенства с помощью CRISPR. Нередко генным инженерам требуется нечто более точное, чем неспецифическое внедрение мутаций в ген за счет случайных вставок или делеций нуклеотидов ДНК. В конце концов, главная цель редактирования генома, по крайней мере применительно к медицине, – это избавление от генетических заболеваний, абсолютное большинство которых вызывается мутациями, “выключающими” важные гены. В таких случаях генные нокауты не принесут пользы, так как у них уже есть неработающие гены – и именно они служат причиной проблем со здоровьем. Что необходимо ученым, так это способ выявлять отдельные ошибочно расположенные “буквы” ДНК, редактировать их и таким образом приводить состав генов в норму.

К счастью, клетки имеют молекулярные машины для осуществления второго типа репарации клеток, гораздо более точного и лучше поддающегося контролю, чем простое склеивание фрагментов разорванной ДНК. Вместо соединения отрезков ДНК, последовательности нуклеотидов в которых никак не связаны друг с другом, этот второй вариант репарации – цепь биохимических реакций, которую пионеры редактирования генома использовали в своих целях, – соединяет только отрезки ДНК, последовательности нуклеотидов которых частично совпадают. По причине такой избирательности процесс называют двумя синонимичными терминами: гомологичная рекомбинация и репарация, направляемая гомологией.

Гомологичная рекомбинация сходна с процессом сборки панорамного снимка из трех частично перекрывающихся фотографий. Чтобы в итоговом изображении они составляли единое целое, фотографу нужно правильно наложить бока центральной фотографии на правую сторону фото слева и левую сторону фото справа. Если середина панорамы вырезана или повреждена, фотографу достаточно взять дубликат центрального снимка и по описанному принципу восстановить панораму. А если изображаемый пейзаж в реальности изменился – например, там построили новый дом или срубили большое дерево, – фотограф в состоянии справиться и с этой ситуацией. Для этого ему нужно вставить новое центральное изображение взамен старого, используя тот же самый подход.

Получается, что ферменты внутри клетки выполняют аналогичные операции вырезания и вставки, но вместо панорамы у них ДНК. Способ репарации, о котором мы уже говорили, – соединение концов, иногда приводящее к ошибкам в последовательности нуклеотидов, – применяется, когда клетка сталкивается с такой серьезной и неотложной проблемой, как разорванная хромосома, и “на авось” заново соединяет разрезанные концы – подобно тому как фотограф склеивает панораму, в которой не хватает кусочка пейзажа. Однако когда у клетки есть и разорванная хромосома, и второй фрагмент ДНК, совпадающий с двумя разъединенными концами, – шаблон для починки, по функциям напоминающий дубликат центрального снимка из примера выше, – она выбирает лучший вариант: вставить фрагмент ДНК в разорванную хромосому, но таким образом, чтобы он без шва наложился на соответствующие концы. При реализации такой стратегии вредоносную генетическую мутацию в точке, куда нацелен CRISPR (или в непосредственной близости от нее), можно навсегда устранить, заменив новой, “здоровой” последовательностью ДНК. Пока исследователи снабжают клетку CRISPR шаблоном для репарации, последовательность которого совпадает с таковой для поврежденного гена, клетка будет добросовестно использовать выданные ей запчасти для устранения повреждений.

Гомологичная рекомбинация с CRISPR

Помимо тонкой настройки генов путем “небрежной” (негомологичной) или точной (гомологичной) репарации, ученые приспособили CRISPR для вырезания или переворачивания больших фрагментов ДНК, что позволяет изменять гораздо более крупные участки генома. В рамках этого метода используется готовность клеток “пойти на все”, лишь бы восстановить целостность хромосомы. Вооружив Cas9 двумя разными направляющими РНК, исследователи могут запрограммировать CRISPR на разрезание хромосомы в двух соседних генах; клетка справляется с этим повреждением, собирая хромосому заново по одному из трех сценариев.

Создание инверсий или делеций в генах с помощью CRISPR

В этой ситуации клетке нужно соединить в два раза больше концов разорванных молекул, чем в случаях, которые мы рассматривали раньше. Первый способ это сделать – на максимальной скорости, одновременно, “склеить” молекулу сразу в двух местах. Впрочем, часто отрезок времени, в течение которого репарацию можно провести таким путем, очень незначителен, поскольку молекулы в клетке непрерывно хаотично перемещаются. Если участок ДНК между двумя точками, в которых молекула была разрезана, “уплывет” куда-нибудь в сторону, клетка будет действовать согласно плану Б – и соединит концы порванной ДНК без разделяющего их фрагмента, который перестал быть доступным. Этот способ репарации можно сравнить с методом, с помощью которого режиссеры монтажа раньше удаляли ненужные сцены из фильма. Они просто разрезали пленку в двух местах – перед началом и по завершении ненужной сцены, – затем запись этой сцены выкидывали, а оставшиеся два конца пленки склеивали один с другим.

Третий способ репарации предполагает инверсию вырезанного фрагмента ДНК. В данном случае вырезанная часть ДНК перемещается таким образом, что остается примерно на том же месте, но переворачивается на 180 градусов, так что ее передний конец теперь находится там, где располагался задний, и наоборот. Те же ферменты, что способствуют соединению концов, “вклеят” недостающий кусочек в ДНК невзирая на его ориентацию.

Существует и другая область применений CRISPR, не имеющая ничего общего с редактированием генов. Вместо того чтобы пользоваться возможностью CRISPR разрезать ДНК, ученые буквально ломают механизм – нарочно. Специально “выключая” молекулярные ножницы, они могут управлять геномом дистанционно – не внося перманентные правки в ДНК, а изменяя то, как эта ДНК считывается, транслируется и экспрессируется. Прямо как невидимые ниточки дают “кукловоду” практически полный контроль над движениями и действиями “марионеток”, эта нережущая версия CRISPR позволяет ученым управлять поведением клетки, тем, что она производит.

Основы этого “марионеточного управления” фактически были заложены в ходе ранних экспериментов с CRISPR-Cas9, проводившихся у меня в лаборатории. Белки обычно состоят из сотен или тысяч “кирпичиков” – аминокислот, большинство которых служит для придания молекуле определенной формы, а способность фермента катализировать определенные химические реакции определяется функциональными группами всего нескольких из множества входящих в его состав аминокислот. Когда Мартин Йинек впервые определял биохимические функции Cas9, он показал, какие конкретно аминокислоты расщепляют химические связи между звеньями каждой из цепей двойной спирали ДНК. Провоцируя такие мутации в гене сas9, чтобы эти аминокислоты заменились на другие, он создал версию соответствующего белка, абсолютно утратившую способность разрезать ДНК, но, что примечательно, по-прежнему способную взаимодействовать с направляющей РНК и прочно соединяться с комплементарными последовательностями ДНК. Мы разрушили структуру каталитического центра фермента, но инактивированный Cas9 все же сохранил некоторые из своих функций: он мог находить и фиксировать конкретные последовательности ДНК в геноме, только не был способен их разрезать. Похожую работу опубликовал Виргиниюс Шикшнис с коллегами[88].

Неподалеку от нас, в Калифорнийском университете в Сан-Франциско, организовывал собственную лабораторию Стэнли Ки, получивший степень доктора философии в Беркли. В ходе совместной работы с Джонатаном Вайссманом и Уэнделлом Лимом (оба они были профессорами Калифорнийского университета в Сан-Франциско) Стэнли продемонстрировал, что дезактивированная версия CRISPR тоже может найти применение в управлении геномом[89]. В отличие от обычной версии, редактирующей ДНК, версия Стэнли Ки позволяла ученым вносить временные изменения в геном: эти изменения не затрагивали последовательность нуклеотидов, но при этом влияли на то, каким образом экспрессируется генетическая информация. В частности, Ки преобразовал CRISPR в аппарат контроля экспрессии генов, способный “включать” и “выключать” их, выкручивать их чтение на максимум или опускать до минимального уровня – примерно как реостат регулирует яркость свечения лампочки.

Дезактивированная система CRISPR работает подобно молекулярной вьючной лошадке. Ученые создали систему из Cas9 и направляющей РНК с присоединенным к ней грузом из молекул определенных белков, которая доставляет эти белки к выбранным генам-мишеням вместо того, чтобы разрезать данные гены. Эта “белковая посылка” включает в себя молекулы, влияющие на экспрессию генов, – эти молекулы либо повышают интенсивность этой экспрессии, либо “гасят” ее (напоминаю пример с реостатом).

Контроль экспрессии генов – сложный процесс, состоящий из множества частично пересекающихся сигнальных путей и определяющий, когда и с какой скоростью генетическая информация в форме ДНК преобразуется в белки. Вероятно, этот процесс не менее важен с биологической точки зрения, чем та наследственная информация, с которой этот контроль работает. Почти все клетки из тех пятидесяти триллионов, что слагают наше тело, несут один и тот же геном, и тем не менее их формы, размеры и функции невероятно разнообразны – равно как ткани и органы, которые эти клетки формируют. Некоторые клетки атакуют патогены (возбудителей заболеваний) в крови, другие сокращаются и расслабляются, чтобы перекачивать кровь по телу, а какие-то хранят воспоминания в нервной системе; единственное, что различает клетки иммунной системы, волокна сердечной мышцы и клетки головного мозга, – это паттерны экспрессии генов, сформировавшиеся при образовании этих клеток из их предшественников. Более того, генетические мутации, вызывающие рак и прочие заболевания, так губительно действуют на организм не потому, что они полностью дезактивируют определенные гены, а потому, что из-за этих мутаций гены неправильно экспрессируются.

Возможность активировать экспрессию генов или тормозить открывает почти столько же перспектив, как и само их редактирование. Представьте себе, что клетка – это сложнейшая в мире симфония, написанная для более чем двадцати тысяч инструментов[90]. В здоровой, нормально функционирующей клетке голоса этих инструментов точно сбалансированы; в клетках, которые инфицированы или переродились в раковые, этот баланс нарушен: некоторые инструменты звучат слишком громко, а некоторые – слишком тихо. Некоторые способы редактирования генома слишком грубы и недостаточно точны для возвращения симфонии к нормальному звучанию: вместо того чтобы настроить тот или иной инструмент, они его выкинут или заменят на другие. Дезактивированная система CRISPR дает возможность настроить любой инструмент оркестра – то есть генома – с большей чувствительностью.

Вооруженные полным набором инструментов CRISPR, ученые теперь могут практически полностью контролировать и состав генома, и работу отдельных его генов. Независимо от того, каким способом это делать – грубым ли соединением концов или точной гомологичной рекомбинацией, делать один надрез, несколько или вообще обойтись без них, – спектр возможностей невероятен. Причем скорость, с которой совершенствуется этот инструмент, не падает. Специалисты в области генной инженерии создали флуоресцентные версии CRISPR, позволяющие увидеть трехмерную организацию генома в клетках; варианты, мишенью которых служат мРНК вместо ДНК, что открывает доступ к особому способу контроля генов; версии, вводящие в геном опознавательные метки – “штрихкоды”, дающие исследователям возможность записывать историю событий в клетке прямо в ДНК на ее языке; и так далее и тому подобное. Нередко кажется, что спектр применения CRISPR в качестве инструмента генной инженерии ограничен только коллективным воображением человечества. В свете невероятной гибкости CRISPR не побоюсь предположить, что эта система станет основным инструментом работы для всех биологов независимо от их специализации.

Сказать, что мне было приятно видеть все эти невероятные технические возможности, плод работы сначала нескольких десятков, потом нескольких сотен, а затем и тысяч ученых, – значит ничего не сказать. Любой изобретатель и инноватор знает, что ощущение удовлетворения от того, что твою разработку стали использовать другие, ни с чем не сравнится. Кроме того, повсеместное использование технологии – это наилучший и самый быстрый способ отточить и переосмыслить ее.

Неожиданный взрывной рост числа исследований с применением CRISPR частично был следствием широчайших возможностей механизма, а частично – фантастическим количеством доступных его вариантов. После того как инструментарий CRISPR был расширен, ни одна “буква” ДНК в геноме, ни один ген или группа генов не остались недоступными для этой системы. Как я покажу в следующих главах, использование инструментов CRISPR в приложении к человеческому организму обещает революцию в лечении рака и генетических заболеваний, а его применение к растениям и животным дает возможности усовершенствовать производство пищи, уничтожить возбудителей различных заболеваний и даже возродить вымершие виды. Неудивительно, что всего через несколько месяцев после публикации первых сообщений о редактировании генома с помощью CRISPR журнал Forbes прогнозировал, что эта технология изменит индустрию биотехнологий навсегда[91].

Но настоящая причина, по которой CRISPR ворвался на биотехнологическую сцену с такой огромной скоростью, снося все на своем пути, – это низкая стоимость и простота технологии. CRISPR наконец сделал редактирование генома доступным для всех ученых. Более ранние инструменты в этой области – главным образом ZFN и TALEN – было трудно проектировать, да и большинству исследователей они были не по карману. По этой причине многие лаборатории, включая мою собственную, не слишком стремились подключаться к исследованиям на тему редактирования генома и разбираться со всеми сопутствующими трудностями. А в случае CRISPR, напротив, лаборатория может легко спроектировать такую его версию, чтобы мишенями для нее служили конкретные гены, подготовить требуемый белок Cas9 и направляющую РНК и провести эксперименты самостоятельно по стандартным методикам, и все это в течение считанных дней и безо всякой посторонней помощи. Единственное, что понадобится на старте, – копия изначальной искусственной хромосомы (плазмиды), содержащей CRISPR. Но эту потребность с лихвой удовлетворила некоммерческая организация Addgene – весьма успешное и непрерывно расширяющееся хранилище плазмид и одновременно площадка для их покупки и продажи.

Addgene – это как Netflix, только для плазмид. Как только Мартин и я разослали нашу статью о CRISPR по научным журналам, мы отправили его плазмиды на хранение в Addgene – подобным образом киностудии выдают Netflix лицензию на прокат своей продукции. Многие научные лаборатории, производящие плазмиды с CRISPR, поступают так же. Addgene ведет тщательный учет плазмид, которые хранит, размещает информацию о них и их характеристиках у себя на сайте и синтезирует тысячи копий, чтобы все нуждающиеся могли их купить. Стоимость для исследовательских лабораторий в 2016 году – всего шестьдесят пять долларов за плазмиду. Снизив нагрузку на производителей плазмид и удовлетворив запросы всех нуждающихся, Addgene помог обеспечить ситуацию, в которой все лаборатории в мире, и исследовательские, и некоммерческие, могут получить нужные для их конкретных исследований материалы, включая необходимые для работы с системой CRISPR. Только за 2015 год Addgene отправил примерно шестьдесят тысяч посылок с ассоциированными с CRISPR плазмидами ученым более чем из восьмидесяти стран[92].

Компьютеры тоже способствовали тому, что редактирование генома стало легким как никогда. Разнообразные пакеты программ используют продвинутые алгоритмы, включающие все подходящие принципы проектирования, в том числе эмпирические данные из научной литературы о том, какие направляющие последовательности работают в данном случае лучше остальных. У исследователя появился доступ к автоматизированному одностадийному методу сборки именно той версии CRISPR, которая наиболее всего подходит для редактирования того или иного конкретного гена. Эти алгоритмы не сделали ученых более ленивыми; напротив, они обеспечили возможность проведения технически наиболее сложных экспериментов по редактированию генома – проведения полногеномных скринингов, в которых CRISPR используют для редактирования каждого гена в составе генома.

Сегодня благодаря этим свойствам CRISPR начинающий ученый с самыми базовыми навыками может полностью провести исследование, которое всего несколько лет назад было невозможно даже представить. Это уже стало общим местом нашей молодой области науки: то, что еще не так давно требовало долгих лет работы в лаборатории с современным оборудованием, теперь может за несколько дней выполнить ученик старших классов. Некоторые эксперты посчитали, что с доступными в настоящее время инструментами любой может организовать собственную CRISPR-лабораторию всего за две тысячи долларов[93]. Другие специалисты прогнозируют расцвет биохакерства – пришествие любителей, исповедующих философию “сделай сам”, увлеченных энтузиастов биотехнологий, которые будут экспериментировать с CRISPR-редактированием генома у себя дома. CRISPR даже стал звездой краудфандинговой кампании, в ходе которой стартап, намеревавшийся производить и распространять наборы для самостоятельного редактирования генома, собрал существенно больше 50 000 долларов. Теперь инвесторы проекта за 130 долларов получают “все, что нужно для проведения точного редактирования генома бактерий в домашних условиях”[94].

CRISPR сделал редактирование генома доступным массам: он в состоянии перевести это полумагическое занятие в разряд хобби или занимательного ремесла, нечто вроде домашней пивоварни (кстати, редактирование генома дрожжей для получения пива с новыми вкусами[95] – одно из крайне интересных и неожиданных применений CRISPR, о котором мне стало известно). Во многих смыслах это здорово – но вместе с тем стремительное распространение настолько мощного инструмента отчего-то тревожит.

Повышение доступности CRISPR ускорит процесс исследований и разработок, который я описала в этой главе, но эта же доступность приведет к таким применениям этой технологии, к которым люди пока не готовы, – и эти применения не ограничатся стенами лабораторий. Ученые по всему миру уже используют CRISPR в клетках самых разных организмов таким образом, какого никто себе и представить не мог; не за горами аналогичные манипуляции с геномом человека.

Как нам вообще сопоставить минусы и плюсы от взлома нашего собственного генетического кода? Сможем ли мы договориться между собой, в каких случаях уместно использовать CRISPR, и сумеем ли мы предотвратить злоупотребления этим инструментом?

Доступный нам сегодня уровень технологий изменения генома предполагает уровень ответственности, к которому мы, к сожалению, абсолютно не готовы. В следующей части книги я опишу несколько дилемм, возникших вследствие CRISPR-революции, а также невероятных возможностей, источником которых она послужила. Точная оценка опасностей, которые неизбежно возникнут в процессе применения такой технологии, как CRISPR, а также степени ответственности, которая потребуется, чтобы использовать ее возможности во благо человечества и планеты, – это будет сложнейший экзамен. Но мы обязаны его сдать: иного варианта у нас просто нет.

Томаты, которые могут лежать в кладовке месяц за месяцем, постепенно созревая и не портясь. Растения, которые лучше выдерживают смену климата. Комары, неспособные переносить малярию. Сверхмускулистые собаки, подходящие на роль устрашающих напарников полицейских и солдат. Коровы, у которых больше не растут рога.

Эти организмы кажутся выдуманными, но на деле они уже существуют благодаря редактированию генома. И они – лишь начало. Пока я пишу это, мир вокруг нас радикально меняется с помощью CRISPR, готовы мы к этому или нет. За следующие несколько лет эта новая биотехнология даст нам более урожайные сельскохозяйственные растения, более здоровый скот и более питательную пищу. А в течение нескольких десятилетий мы, вполне возможно, получим свиней со специально спроектированным геномом, которые будут служить донорами органов для людей, – а при желании вырастим и шерстистых мамонтов, крылатых ящеров и единорогов. Нет, я не шучу.

Меня поражает мысль о том, что мы находимся на пороге новой эры в истории земной жизни – эры, в которой люди получат беспрецедентный контроль над наборами генов самых различных видов – наших соседей по планете. Пройдет не так много времени, и CRISPR позволит нам подчинять природу своей воле именно так, как люди мечтали об этом с доисторических времен. И если эта воля будет конструктивной, то результаты окажутся потрясающими, – однако они могут также быть непредсказуемыми и даже катастрофическими.

Влияние технологии редактирования генома растений и животных уже ощущается в научном сообществе. Например, исследователям удалось использовать CRISPR для создания животных-моделей для изучения болезней человека, причем этим моделям свойственна гораздо более высокая точность и гибкость, чем раньше, – ведь это модели не только на мышах, но и на других животных, на которых лучше всего видно протекание той или иной изучаемой болезни. К примеру, для аутизма это обезьяны, для болезни Паркинсона – свиньи, а для гриппа – хорьки. Один из самых интересных аспектов технологии CRISPR – это возможности, которые она предоставляет для изучения признаков, уникальных для определенных организмов: например, регенерации конечностей у аксолотлей, старения у медак (азиатских пресноводных рыбок из семейства карпозубых) или развития скелета у ракообразных[96].

Мои коллеги присылают мне удивительные описания и изображения своих экспериментов с CRISPR и их результатов: красивые узоры на крыльях бабочек, генетическую подоплеку которых удалось раскрыть, или заразные дрожжи, способность которых проникать в ткани человека исследователи смогли изучили на уровне отдельных генов. Такого рода эксперименты открывают новые факты о природном мире и о генетических сходствах, связывающих все организмы. Все это невероятно интересно для меня.

На другом конце спектра возможностей – идеи настолько необычные, что их изложение больше напоминает научно-фантастический рассказ, чем статью из серьезного научного журнала. К примеру, я была совершенно поражена, узнав, что сразу несколько исследовательских групп используют CRISPR, чтобы “гуманизировать” различные гены свиней, – в надежде на то, что таким образом будет решена проблема вечной нехватки жизненно важных донорских органов: это путь к освоению ксенотрансплантации – то есть пересадки человеку органов, выращенных в свиньях (или других животных).

Иллюстрация того, какого рода эстетические изменения можно уже сегодня вносить в животных, – деятельность компаний, использующих технологии редактирования генома для создания новых “дизайнерских” домашних питомцев, к примеру микропигов, размеры которых даже во взрослом возрасте не превышают размеров небольшой собаки. А некоторые лаборатории всерьез занимаются возрождением вымерших видов – пытаются в буквальном смысле слова воскресить исчезнувшие организмы посредством клонирования и генной инженерии. Моя подруга Бет Шапиро из Калифорнийского университета в Санта-Крузе мечтает использовать эту стратегию для воссоздания вымерших видов птиц, чтобы изучить их связи с современными видами. Предпринимаются и попытки постепенно переделать геном слона в геном мамонта, используя CRISPR.

Однако, по иронии судьбы, использование CRISPR может приводить и к обратному – “насильственному вымиранию” нежелательных видов животных и болезнетворных микроорганизмов. Да, в недалеком будущем CRISPR можно будет применять для уничтожения целых видов – о таких последствиях я не могла даже и подумать, когда лишь десять лет назад моя лаборатория приступила к исследованиям в области систем адаптивного иммунитета у бактерий.

У некоторых проектов, связанных с этой и другими областями природы, есть невероятный потенциал по улучшению здоровья и уровня жизни людей. Другие же кажутся лекгомысленными, эксцентричными или даже попросту опасными. И я все больше убеждаюсь в том, что по мере того, как популярность редактирования генома стремительно растет, нам совершенно необходимо лучше понимать риски, связанные с этой технологией.

CRISPR дает нам возможность радикально и необратимо менять биосферу, в которой мы обитаем, переписать молекулы жизни так, как мы захотим. Я полагаю, что сегодня нам очень не хватает широкого публичного обсуждения всех этих возможностей – как полезных, так и опасных. Это удивительный момент в истории медико-биологических наук, но мы не должны позволять себе витать в облаках. Важно помнить, что, хотя у CRISPR есть огромный и неоспоримый потенциал улучшения нашего мира, вмешательство в генетические основы нашей экосистемы может иметь также и непредвиденные последствия. На нас лежит ответственность за то, чтобы заранее просчитать все возможные варианты развития событий и организовать глобальный, публичный и инклюзивный диалог о том, как нам использовать редактирование генома наилучшим образом, пока не стало слишком поздно.

В 2004 году группа европейских ученых разгадала загадку, долгое время занимавшую умы агрономов, выращивающих ячмень. Исследователи выявили генные мутации, благодаря которым растение становилось устойчивым к вредоносному грибку[97], который вызывает настоящую мучнистую росу – болезнь, уже долгое время досаждавшую фермерам, которые выращивают элитные сорта ячменя по всей Европе. Мутантная линия ячменя, устойчивая перед грибком, вела свою историю от семян из зернохранилищ в Юго-Западной Эфиопии, добытых в ходе немецких экспедиций конца 1930-х годов. Именно на территории Эфиопии через некоторое время после одомашнивания ячменя (это было около 10 000 лет назад) случайно возникла мутантная версия гена под названием Mlo; этот сорт и был отобран крестьянами, которые, естественно, хотели культивировать как можно более урожайные растения, которые при этом были бы максимально здоровыми.

Это наглядный пример эволюции, на которую повлиял человек: спонтанная мутация, которая закрепилась благодаря искусственному, а не естественному отбору. Именно так и развивалось сельское хозяйство в течение тысячелетий. В 1901 году агроном-новатор Лютер Бербанк сказал в одном из своих выступлений, что виды не являются чем-то фиксированным и неизменным:

Они так же пластичны в наших руках, как глина в руках гончара или краски на холсте художника, и им можно придать более красивые формы и цвета, чем у любого художника или скульптора[98].

На самом деле история открытия защитной мутации у гена Mlo в ячмене начинается еще в 1942 году, когда растения одного из немецких сортов были облучены рентгеном[99]. Именно тогда ученые обнаружили, что облучение семян радиацией (к примеру, рентгеновскими или гамма-лучами) или погружение их в жидкость, содержащую мутагенные вещества, приводит к возникновению случайных новых мутаций, используя которые, можно вывести растения с желаемыми свойствами.

У мутантных линий, полученных таким способом, имеются случайные изменения в сотнях или даже тысячах различных генов. Если среди этих спонтанных генетических изменений у разных линий возникают похожие мутации, такие же как в гене Mlo, то у растений, полученных из таких семян, может появиться одно и то же желаемое свойство – например, устойчивость к грибку у ячменя[100]. Защитная мутация в гене Mlo у ячменя была идентифицирована в 2004 году, а еще десятилетие спустя нарушения в том же гене удалось связать с устойчивостью к мучнистой росе и у других растений. Это породило воодушевляющую гипотезу, что многие сельскохозяйственные культуры можно было сделать устойчивыми к болезни, изменив ген Mlo.

В этом и заключаются перспективы редактирования генома. В сравнении с обычными методами селекции – включая спонтанный мутагенез, мутагенез под действием рентгеновских лучей или химикатов, а также скрещивание различных видов растений (в процессе которого в геном поступают тысячи новых генов), – CRISPR и подобные технологии дают ученым беспрецедентные возможности контроля над геномом. Я обратила особое внимание на масштаб этих возможностей, когда в 2014 году ученые из Китайской академии наук использовали инструменты редактирования генома, в том числе CRISPR, для изменения шести копий гена Mlo в пшенице обыкновенной (Triticum aestivum) – одной из важнейших сельскохозяйственных культур на планете. Растения, у которых все шесть генов Mlo были мутантными, обладали устойчивостью к мучнистой росе, и это был фантастический результат; более того, исследователям не было нужды беспокоиться о вредоносных или нежелательных эффектах каких-либо других мутаций, поскольку были изменены только гены Mlo. Какое бы изменение ни было необходимо – нокаут гена, его коррекция, вставка или делеция, – ученые могут редактировать геном с беспрецедентной точностью вплоть до одной “буквы” и делать это практически с любым геном и любой последовательностью ДНК.

Борьба с настоящей мучнистой росой – лишь один пример того, каким образом CRISPR помогает решать проблемы сельского хозяйства. За несколько лет, прошедших с начала использования технологии, ее уже применили для редактирования генов риса (чтобы защитить растение от бактериальных заболеваний); для обеспечения кукурузы, сои и картофеля естественной невосприимчивостью к гербицидам; для создания грибов, которые гораздо медленнее буреют и портятся[101]. Ученые использовали CRISPR для редактирования генома сладких апельсинов[102], а команда калифорнийских исследователей сейчас пытается спасти американскую индустрию цитрусовых от бактериальной болезни, именуемой по-китайски huanglongbing, что переводится как “болезнь желтого дракона”, которая уже поразила некоторые части Азии, а теперь угрожает садам Флориды, Техаса и Калифорнии[103]. В Южной Корее Джин Су Ким и его коллеги надеются, что редактирование геномов бананов может помочь сохранить от исчезновения ценный сорт кавендиш, которому угрожает распространение чрезвычайно вредоносного почвенного гриба[104]. Исследователи в других местах также экспериментируют с возможностью вставки в сельскохозяйственные культуры целой бактериальной системы CRISPR, запрограммированной на уничтожение вирусов, что может дать растениям совершенно новую противовирусную иммунную систему[105].

Методы внесения мутаций в ДНК растений

Меня особенно привлекают возможности, которые дает редактирование генома в области создания более здоровой пищи. Рассмотрим два выдающихся примера. Первый: соевые бобы дают около 50 миллионов тонн соевого масла ежегодно. К сожалению, в этом масле слишком много трансжиров, употребление которых ассоциируется с повышенным уровнем холестерина и заболеваниями сердечно-сосудистой системы. Не так давно специализирующиеся на продуктах питания ученые из миннесотской компании Calyxt использовали основанную на TALEN технологию редактирования генома для изменения двух генов сои, получив семена, в составе которых гораздо меньше нездоровых жирных кислот, а содержание различных жиров больше напоминает состав оливкового масла[106]. Исследователям удалось сделать это, не вызвав каких-либо непредвиденных мутаций и не вставляя в геном чужеродную ДНК.

Второй пример связан с картофелем – это третья по важности пищевая культура в мире после пшеницы и риса. Длительное хранение в холоде (необходимое для увеличения срока годности картофеля) может привести к его ослащению – крахмал в условиях холода переходит в сахара, глюкозу и фруктозу. Любая термическая обработка, необходимая для приготовления картофеля фри и чипсов, превращает эти сахара[107] в акриламид – нейротоксин и потенциальный канцероген. Кроме того, из-за ослащения чипсы буреют и становятся горькими, и в результате большое их количество идет в отходы; по этой причине предприятия по переработке картофеля выбрасывают до 15 % сырья. Используя редактирование генома, исследователи из компании Calyxt легко смогли решить эту проблему в картофеле сорта Ranger Russet: они инактивировали всего один ген, отвечающий за выработку глюкозы и фруктозы. Результат: уровень акриламида в чипсах, сделанных из улучшенной картошки, был ниже на 70 %, и они не бурели[108].

Специалисты пищевой промышленности в восторге от возможностей простого редактирования генома. Однако один очень важный вопрос пока еще остается без однозначного ответа: смогут ли производители и потребители принять продукты с прицельно измененным геномом, подобно тому как они уже приняли тысячи видов продуктов, геномы которых мутировали случайным образом под воздействием рентгеновского или гамма-излучения или химических мутагенов? Или эти новые продукты постигнет судьба ГМО – другого типа генетически измененных продуктов, которые, несмотря на свой огромный потенциал, были встречены в штыки, что связано, с моей точки зрения, с прямой дезинформацией общественности?

По мере того как технология CRISPR распространялась по миру, мне приходилось знакомиться с многими новыми для меня областями знаний, и одна из них – продовольственная политика. Зная, что растения и животные с отредактированными геномами неизбежно будут сравниваться с ГМО, я специально посвятила некоторое время изучению этого вопроса: а что, собственно, вообще имеют в виду правительства разных стран и инициативные общественные группы, когда говорят о “генетически модифицированных организмах”?

Министерство сельского хозяйства США определяет генетическую модификацию следующим образом:

Получение наследуемых улучшений организмов растений или животных для конкретных целей посредством генной инженерии либо других, более традиционных методов[109].

Это всеобъемлющее определение может включать в себя как новые технологии (такие как редактирование генома), так и более старые методы (например, искусственный отбор особей, уже имеющих нужные мутации). На самом деле при таком определении практически любую пищу, не считая диких грибов, ягод, рыбы и дичи, можно отнести к ГМО.

Однако более распространенное определение ГМО включает только те организмы, генетический материал которых был изменен с использованием технологии рекомбинантных ДНК и так называемого сплайсинга генов (когда в геном интегрируются последовательности чужеродной ДНК). Первая коммерческая ГМ-сельхозкультура, официально разрешенная в США для питания человека, – это способный долго храниться сорт помидоров Flavr Savr. Это было в 1994 году, и с тех пор было разработано и официально одобрено более 50 разновидностей ГМ-растений: сорта канолы, кукурузы, хлопка, папайи, риса, сои, кабачков и других культур. В 2015 году 92 % всей кукурузы, 94 % всего хлопка и 94 % сои, выращиваемых в США, были генетически модифицированы[110].

У модифицированных сельскохозяйственных культур есть важные экологические и экономические преимущества. Культивируя растения с повышенной способностью защищаться от вредителей, фермеры могут получать более высокие урожаи, сократив при этом применение сильнодействующей “химии” – пестицидов и гербицидов. Генная инженерия уже успела спасти от вирусных бедствий целые отрасли сельского хозяйства – такие, например, как выращивание гавайской папайи; скоро эта технология может оказаться решающей в защите других видов фруктов (в том числе бананов и слив), которым угрожают новые болезнетворные организмы.

Несмотря на эти преимущества и на тот факт, что сотни миллионов людей уже имеют опыт употребления в пищу ГМ-продуктов без каких-либо нежелательных последствий, эти продукты остаются мишенью бурной критики, пристального внимания общественности и резких протестов, по большей части не имеющих никаких оснований. Лозунги протестующих основаны на незначительном количестве исследований, в которых говорится о вредном влиянии ГМО на здоровье потребителей или на окружающую среду: к примеру, в некоторых таких работах утверждается, что из-за ГМ-картофеля крысы заболевают раком, а ГМ-кукуруза приводит к смерти бабочек-монархов. Однако большинство подобных сообщений были опровергнуты в ходе многочисленных последующих исследований и отвергнуты научным сообществом. Надо сказать, что ГМО-продукты подвергались едва ли не самым тщательным испытаниям из всех потребляемых человеком видов пищи, и было почти единогласно решено, что ГМ-пища столь же безопасна, как и та, что производится традиционным способом. Производство ГМО поддержали федеральные регулирующие органы США, Американская медицинская ассоциация, Национальная академия наук США, Королевское медицинское общество Великобритании, Европейская комиссия и Всемирная организация здравоохранения. Тем не менее около 60 % американцев все еще считают ГМО опасными[111].

Это расхождение в оценках ГМО между учеными и общественностью очень тревожит, если не сказать больше. С моей точки зрения, это во многом отражает взаимонепонимание между исследователями и широкой публикой. Даже за относительно короткое время моей работы над CRISPR я успела понять, как сложно иногда поддержать конструктивный, открытый диалог между двумя этими мирами – и как важен этот диалог для содействия научным открытиям.

Восприятие ГМО как чего-то неестественного и извращенного – отличный пример такого непонимания. Практически все, что мы едим, было в свое время изменено людьми, часто путем генерации случайных мутаций в ДНК семян, используемых для разведения растений с нужными признаками. Таким образом, различие между “натуральным” и “ненатуральным” весьма размыто. Красные грейпфруты были получены благодаря облучению нейтронами, арбузы без семян – при помощи вещества под названием колхицин; яблочные сады, в которых каждое дерево представляет собой точную генетическую копию своих соседей… Ни один из этих примеров современного сельского хозяйства нельзя назвать натуральным! И все же большинство из нас ест эти продукты и не жалуется.

CRISPR и сходные технологии редактирования генома еще больше запутают споры вокруг генетически модифицированных продуктов питания, еще больше размоют границу между ГМ- и не ГМ-продуктами. “Обычные” ГМО содержат чужеродные гены, случайным образом интегрированные в геном; благодаря этим генам вырабатываются новые белки, из-за которых у организма проявляется полезный признак, ранее ему несвойственный. Организмы с отредактированным геномом, напротив, несут крошечные изменения в уже существующих генах, которые дают организму полезный признак, регулируя уровни белков, которые в нем уже изначально были, без добавления какой бы то ни было чужеродной ДНК. В этом отношении организмы с отредактированным геномом мало чем отличаются от организмов, полученных в результате мутагенного воздействия химикатов или радиации. Более того, ученые опробовали методы, позволяющие избавиться от любых следов CRISPR в геноме растения после того, как редактирование генома будет выполнено. Например, молекулы CRISPR можно создать, очистить и собрать в функциональные комплексы в лаборатории (что мы и показали в своей статье 2012 года), а затем внедрить их в растительные клетки в составе быстродействующего препарата, так что они незамедлительно примутся за работу над геномом[112]. В течение считанных часов Cas9 и направляющая РНК отредактируют необходимый ген – а затем разрушатся в результате естественных клеточных процессов переработки. Я надеюсь, что со временем такой вид “бесшовного” редактирования генома поможет растениям, модифицированным с помощью этого точного метода, завоевать благосклонность общественности.

Однако понемногу начинаются дебаты и вокруг организмов с отредактированным геномом. Одна из первых акций протестов против новой технологии прошла весной 2016 года[113]. Исследователям CRISPR даже угрожали – причем это были те же активисты, что раньше сражались с ГМО.

Трансгенные ГМО и организмы, подвергнутые бесшовному редактированию генома

Одна из самых сложных проблем, которую предстоит решить сельскохозяйственным компаниям, фермерам и (особенно) представителям власти, – это классификация продуктов питания с отредактированным геномом и разработка соответствующих законодательных норм. Большинство ученых предпочитают говорить о продуктах новых технологий разведения (new breeding techniques, NBT), в то время как активисты протеста полагают, что перед нами не что иное, как скрытые формы ГМО – и ученые просто пытаются продвинуть их на прилавки под другим именем. Во многом проблема связана с противопоставлением продукта и процесса: следует ли регулировать (и одобрять) лишь сам новый продукт питания – или также и процесс, в ходе которого он был получен? Вернемся к примеру с настоящей мучнистой росой: имеет ли значение тот факт, что устойчивая к болезни пшеница появилась именно с помощью продвинутой технологии редактирования генома? Ведь полученный сорт пшеницы ничем не отличается от того, который теоретически мог быть создан в ходе искусственного отбора – то есть в результате спонтанных или индуцированных мутаций…

На данный момент новые генетически модифицированные сельскохозяйственные культуры должны пройти сложную процедуру одобрения и разрешения – юридическую ответственность за это в США делят Управление по контролю за продуктами питания и лекарственными средствами, Агентство по охране окружающей среды и Министерство сельского хозяйства. Процесс одобрения занимает много времени, стоит немалых денег средств и включает комплекс требований, которые многим участникам процесса кажутся неправильными и обременительными. Многие недостаточно большие компании вообще не могут себе позволить работать с ГМО из-за непомерно высоких затрат на одобрение, и в результате рынок монополизирован крупными агропромышленными корпорациями. Я удивилась, узнав, что даже ученым из академических лабораторий не так-то просто изучать генетически модифицированные злаки непосредственно в поле из-за обременительных ограничений.

К счастью, ситуация понемногу меняется. Министерство сельского хозяйства США (USDA) начинает в частном порядке информировать компании, что для нового поколения продуктов питания с измененным геномом уже не потребуется одобрение министерства – хотя они по-прежнему должны будут проходить процедуру одобрения Управления по контролю за продуктами питания и лекарственными средствами (FDA). Невосприимчивая к гербицидам канола, созданная методом редактирования генома, была одобрена для использования в Канаде и поэтому не подпадает под компетенцию USDA. Так же обстоит дело с соей и картофелем, которые были разработаны учеными компании Calyxt с применением технологии TALEN: они (а также примерно 30 других генетически модифицированных растений) не нуждаются в одобрении министерства[114]. И хотя технология CRISPR относительно недавно пришла в эту область, специалисты компании DuPont Pioneer прогнозируют, что растительные продукты, произведенные с использованием CRISPR, выйдут на рынок уже к концу текущего десятилетия[115].

Уже в 2015 году Управление по научно-технической политике Белого дома заявило, что пересмотрит юридические нормы, регулирующие ГМО, поскольку в этой области произошли принципиальные технологические изменения, а нормы не обновлялись с 1992 года[116]. Правила представления ГМ-продуктов на рынке также сейчас меняются: например, в 2016-м был одобрен федеральный закон, требующий особой маркировки всех пищевых продуктов, содержащих ГМО[117].

Подобные изменения в нормативных актах важны, но если вместе с ними не изменится и отношение потребителей к генетически улучшенным продуктам, мы, общество в целом, не сможем полностью использовать потенциал CRISPR. Биотехнологии могут повысить уровень продовольственной безопасности, навсегда победить голод, приспособить сельское хозяйство к изменениям климата и предотвратить ухудшение экологической обстановки во всем мире. Однако такой прогресс невозможен, пока ученые, компании, правительства и общество не объединятся ради достижения этой цели. И каждый из нас может помочь этому, причем самым простым образом, – ведь все начинается со здравого смысла.

Сельскохозяйственные и пищевые предприятия заинтересованы в CRISPR не только из-за перспектив улучшения растений; геномы сельскохозяйственных животных в ближайшем будущем также начнут постоянно редактировать. И если вспомнить, насколько недоброжелательно были встречены ГМ-растения, то можно ожидать, что генетически модифицированных животных тоже, скорее всего, ждет законодательная волокита и они будут встречены с еще бóльшим сопротивлением. И в этой сфере мы можем многого добиться – но, возможно, еще больше потерять.

Первое ГМ-животное, разрешенное в США для употребления в пищу человеком, – это быстрорастущий ГМО-сорт лосося под названием AquAdvantage; этот продукт удалось вывести на рынок лишь после двадцатилетней борьбы производителя с чиновниками FDA; на эту борьбу разработчик породы потратил свыше восьмидесяти миллионов долларов[118]. Геном ГМ-лосося содержит дополнительную копию гена, отвечающего за выработку гормона роста, поэтому рыба достигает товарного веса вдвое быстрее, чем обычный лосось с рыбной фермы, но при этом не отличается от него по пищевой ценности; модификация не вредит ни здоровью самой рыбы, ни здоровью человека, который ее ест[119]. Разработчики AquAdvantage считают, что разведение подобных сортов станет благом для окружающей среды, поскольку снизит истощение природных запасов этого вида, а углеродный след от выращивания такого лосося[120] примерно в 25 раз меньше, чем от выращивания обычного[121]. Кроме того, это уменьшит долю импорта (сегодня 95 % всего лосося, продающегося в США, – импортного происхождения). И все же, как и в случае с ГМО-растениями, негативная реакция на появление генетически модифицированного лосося была очень сильной; этот продукт называли “франкенрыбой” и утверждали, что он подвергает опасности здоровье потребителей и природные рыбные сообщества. 75 % респондентов опроса, проведенного в 2013 году газетой New York Times, заявили, что не стали бы есть ГМ-рыбу[122]; скептицизм потребителей привел к тому, что более 60 продуктовых сетей по всей стране – включая таких гигантов, как Whole Foods, Safeway, Target и Trader Joe’s, – пообещали, что не будут продавать этот сорт лосося[123].

Впрочем, лосось AquAdvantage – не первое ГМ-животное, созданное учеными в качестве пищи для человека. В начале 2000-х годов команда японских генетиков вывела свиней, в геном которых был добавлен ген шпината, изменивший у животных процесс метаболизма жирных кислот; состав жиров в организме трансгенных свиней был более здоровым, однако проект подвергся жесткой критике, и этих животных так никогда и не выращивали за пределами лаборатории[124]. Приблизительно в это же время командой канадских ученых была создана Enviropig, “экологически чистая” трансгенная свинья с геном E. coli, позволяющим этому животному лучше перерабатывать фосфорсодержащее вещество фитиновую кислоту[125]. В помете обычных свиней много фосфора, который проникает в ручьи и реки, вызывая цветение воды, смерть водных обитателей и выработку парниковых газов; помет свиней породы Enviropig содержал на 75 % меньше фосфора, что пошло бы очень на пользу и планете, и людям, живущим и работающим рядом со свинофермами. Несмотря на это и на данные, подтверждающие пищевую безопасность породы, потребители были возмущены, в результате чего спонсоры проекта отказались от его дальнейшей поддержки. Последних свиней новой породы усыпили в 2012-м[126].

Учитывая все это, перспективы других генетически модифицированных животных не кажутся оптимистичными. Однако, повторюсь, все зависит от того, что именно законодатели и общественность будут понимать под термином генетически модифицированные. В геном лосося AquAdvantage был добавлен ген гормона роста от чавычи, а также небольшой фрагмент ДНК от американской бельдюги (последний обеспечивал постоянную активность гена гормона роста). Но что, если ученым удастся модифицировать геном лосося таким образом, что выработка гормона роста повысится без привлечения какой-либо чужеродной ДНК? Будут ли потребители и законодатели и в этом случае считать такого лосося генетически модифицированным?

Этот вопрос, без сомнений, станет актуальным уже в ближайшем будущем, учитывая быстрый темп исследований и разработок в области сельскохозяйственных животных с отредактированным геномом. Первые такие животные уже были созданы в лаборатории, и их встреча с законодателями – всего лишь вопрос времени. Как и лосось AquAdvantage, некоторые из этих новых животных получат генетические модификации, ускоряющие их рост. Однако, в отличие от лосося, они, возможно, будут не только расти быстрее, но и достигать бóльших размеров.

Используя новые возможности прицельного редактирования генома, открывшиеся благодаря CRISPR и подобным технологиям, ученые создали коров, свиней, овец и коз с отредактированными геномами, которые обладают большей физической силой и имеют бóльшую мышечную массу, чем обычно; они выглядят как настоящие животные-бодибилдеры (этот признак называется гипертрофией мышц). Причем эта искусственная мутация – вовсе не эксцентричная причуда ученых: она вдохновлена самой природой, как и выработка у ячменя устойчивости к мучнистой росе.

Животноводам давно известно явление гипертрофии мышц, поскольку оно часто наблюдается у двух популярных пород крупного рогатого скота: бельгийской голубой и пьемонтской. У бычков этих пород в среднем на 20 % больше мышц, более высокое соотношение массы мяса к массе костей, меньше жира, но зато больше мяса именно в тех частях туши, которые особенно востребованы на рынке. Понятно, что эти породы чрезвычайно привлекательны для производителей говядины[127]. В 1997 году три лаборатории определили, что за столь развитые мышцы отвечает один ген – миостатин. Он выступает в роли природного тормоза, сдерживающего образование мышечной ткани. У двух пород рогатого скота, которые изучали в тех лабораториях, были различные виды мутаций (у бельгийской голубой породы отсутствовали одиннадцать “букв” ДНК, а у пьемонтских мутация затрагивала лишь одну “букву”), однако в обоих случаях белковый продукт миостатина был дефектным. В некотором смысле природа повторила лабораторные генетические эксперименты, проводившиеся на мышах[128]: нокаут миостатина тоже приводил к появлению мускулистых существ, которые весили в два-три раза больше среднего, причем прибавка в весе получалась именно за счет увеличения мышечной, а не жировой массы.

Крупный рогатый скот – не единственные животные, у которых наблюдается естественная гипертрофия мышц. У популярной голландской породы овец тексель, которая высоко ценится за нежирное мясо и очень мускулистое телосложение, тоже есть мутация в гене миостатина[129]. Отлично развитая мускулатура характерна и для уиппетов: эти небольшие собаки, происходящие от борзых, часто участвуют в собачьих бегах, поскольку они не только бегают быстрее любых других собак того же веса, но и быстрее всех набирают скорость. Для уиппетов разновидности “булли” характерна особенно широкая грудная клетка и массивная мускулатура ног и шеи; это вызвано отсутствием двух “букв” ДНК в гене миостатина. У остальных уиппетов есть нормальный ген миостатина, а у некоторых (гетерозиготных) имеется одновременно и нормальная, и мутантная копии двух родительских хромосом. Исследование Национальных институтов здравоохранения показало, что на самом деле наиболее быстрые среди уиппетов – гетерозиготы, так как у них есть “дополнительная” мускулатура, но не чрезмерная: нечто вроде генетической “золотой середины”[130].

У людей тоже бывает нечто подобное гипертрофии мышц. В 2004 году группа берлинских врачей опубликовала интересное исследование, в котором описывался чрезвычайно мускулистый от рождения мальчик с сильно набухшими мышцами бедер и предплечий[131]. Ребенок и к четырехлетнему возрасту продолжал наращивать аномально выраженную мускулатуру и мог выполнять невероятные силовые трюки, например удерживать параллельно земле руки c трехкилограммовой гантелей в каждой. Учитывая, насколько его состояние напоминало гипертрофию мышц у коров и мышей и то, что в семье мальчика было необычно много очень сильных физически людей, ученые предположили, что его телосложение могло объясняться генетическими факторами. В ходе молекулярно-биологического исследования было обнаружено, что обе копии гена миостатина у ребенка содержат нокаутные мутации, а его мать, в прошлом профессиональная спортсменка, оказалась гетерозиготой с одной мутантной копией гена. Хотя подобная мышечная гипертрофиия у человека – чрезвычайно редкое явление, был зафиксирован по крайней мере еще один случай – в одной семье из Мичигана.

Животные со спонтанной и вызванной CRISPR гипертрофией мышц

Сегодня исследователи изучают вопрос, не может ли искусственная гипертрофия мыщц с помощью намеренного внесения мутаций (то есть стимуляция роста мышечной массы путем “выключения” гена миостатина) оказаться эффективным методом терапии при заболеваниях, истощающих мышечную ткань, – например, мышечной дистрофии. Некоторые авторы уже начали фантазировать на тему того, каким образом с помощью редактирования гена миостатина можно было бы сделать обычного человека сверхчеловечески сильным физически, – однако (об этом мы поговорим в следующих главах) я считаю, у подобного – не вызванного необходимостью – редактирования человеческого генома могут быть очень тяжелые последствия[132].

В случае домашних животных (но не людей) есть причины использовать редактирование генома для создания новых разновидностей организмов с полезными признаками. К примеру, небольшие улучшения генома животных могут привести к существенному увеличению производства пищи для человека. Ученые уже задействовали технологии редактирования генома для получения новых пород коров, овец, свиней, коз и кроликов с гипертрофией мышц. Несложно представить, как это повлияет на питание людей, если эти породы станут доступны для фермеров. Увеличение объема постного мяса и небольшое содержание туловищного жира – это уже давно главнейшие задачи селекции в животноводстве. Известен пример, когда свиньи с отредактированным геномом содержали на 10 % больше постного мяса, чем их “неотредактированные” собратья; кроме того, у ГМ-свиней было гораздо меньше туловищного жира, а мясо было нежнее[133]. При этом питательная ценность мяса, а также процесс роста этих животных, их здоровье и необходимое количество корма остались прежними. Поскольку в исправленном свином геноме нет следов трансгенов, разработчики породы надеются, что к этим животным будут применяться те же нормативы, что, например, и к бельгийским голубым коровам, у которых мышечная гипертрофия развилась в результате спонтанных мутаций.

Так как благодаря CRISPR можно легко редактировать сразу несколько генов, то одновременно в организм можно ввести множество новых признаков. Например, китайские ученые, работая с козами, выбрали для изменения ген миостатина, а также ген ростового фактора, контролирующего длину волос. У людей спонтанные мутации в этом гене приводят к появлению очень длинных ресниц, а среди животных наблюдалась связь между такими мутациями и длиной волосяного покрова у кошек, собак и даже ослов. Ученые провели редактирование генома у кашемировых коз из провинции Шаньси, которых разводят и ради хорошего мяса, и ради их шерсти (из нее производится высококачественный кашемир)[134]. Исследователи сделали инъекции 862 эмбрионам и внедрили 416 из них в матки коз-реципиенток; у 10 из 93 родившихся козлят были мутации в обоих генах. Эти улучшенные козы теперь могут дать начало новым породам, которые будут давать и больше мяса, и больше кашемира.

Другие ученые используют инструменты редактирования генома для влияния на размножение: кур меняют таким образом, чтобы рождались только самки (на яичных фермах цыплят-самцов обычно отбраковывают в течение дня после вылупления)[135]; искусственно разводимую рыбу делают стерильной (так что она неспособна изменять генофонд диких популяций); а мясной скот “настраивают” таким образом, чтобы рождались только рентабельные самцы (телки наращивают мышечную массу из корма гораздо менее эффективно, чем бычки). Геномы крупного рогатого скота также меняют ради иммунитета против паразита, вызывающего сонную болезнь, а геномы свиней модифицируют так, чтобы на их откорм уходило меньше пищи[136]. В Австралии группа исследователей предпринимает попытки изменить куриный ген, кодирующий один из наиболее распространенных белков-аллергенов в куриных яйцах; и сходным образом хотят попробовать избавиться от аллергенов в коровьем молоке[137].

Редактировать геном животных можно и для того, чтобы они стали более здоровыми и устойчивыми к болезням. Это убедительно показали недавние опыты на свиньях: одну из самых распространенных болезней свиней вызывает вирус PRRSV (ВРРСС, вирус репродуктивно-респираторного синдрома свиней). Впервые его обнаружили в США в конце 1980-х годов, а затем он быстро распространился по Северной Америке, Европе и Азии. Вирус стоит американским производителям свинины более 500 миллионов долларов в год и снижает объемы производства на 15 %, при этом инфицированные животные тоже тяжело страдают от ряда симптомов: анорексии, лихорадки и сильных проблем с дыханием; у них повышается частота выкидышей и число мертворожденных поросят[138]. Вакцины от этой болезни пока не существует, и все, что остается, – добавлять животным в корм большие дозы антибиотиков, чтобы предотвратить вторичные бактериальные инфекции.

Ученые из Университета штата Миссури предположили, что вирус “взламывает” клетки свиней благодаря одному конкретному гену – CD163, и попытались создать устойчивых к вирусу животных, “выключив” проблемный ген (это похоже на смену замков в доме, когда вы знаете, что потенциальный взломщик уже украл ключи). Использовав CRISPR для создания свиней с нокаутированным проблемным геном, миссурийские исследователи затем отправили животных в Университет штата Канзас (вместе с неизмененными поросятами в качестве контрольной группы), чтобы проверить их восприимчивость к вирусу[139]. В Канзасе животных подвергли воздействию примерно сотни тысяч вирусных частиц, при этом свиньи постоянно находились под наблюдением. Животные с отредактированными геномами оставались совершенно здоровыми, в их организмах не было ни следа вируса[140].

Эта стратегия – избавление свиней от вирусов путем нокаутирования генов, которые использует этот вирус, – оказалась настолько эффективной, что ее уже осваивают другие исследователи, пытающиеся облегчить страдания животных и уменьшить количество брака в других отраслях мясной промышленности. К примеру, группа британских ученых одержала аналогичную победу над другим вирусом. Вызываемое им заболевание, африканская чума свиней (она же африканская лихорадка), поражает как диких, так и домашних свиней; как и ВРРСС, этот вирус очень заразен, и против него также нет вакцины. При этом вирус африканской лихорадки даже более смертоносен, и некоторые его разновидности вызывают почти стопроцентную гибель инфицированных (обычно это происходит из-за интенсивных кровоизлияний в первую же неделю после заражения)[141]. К сожалению, заболевание приводит к массовой гибели животных и по другим причинам: когда вирус распространился по Восточной Европе, фермерам пришлось забивать свиней, в некоторых случаях целые стада, в отчаянной попытке остановить распространение болезни.

Заметив, что на африканские виды свиней, в том числе и на бородавочников, вирус не действует, британские ученые сумели выделить ген, который, по-видимому, объясняет удивительную устойчивость этих животных[142]. Варианты этого гена у бородавочников и у домашних свиней различаются лишь несколькими “буквами”, поэтому ученые просто отредактировали геном домашних свиней таким образом, чтобы он был таким же, как у бородавочников, но не меняли при этом никакие другие части генома[143]. Время покажет, обладают ли отредактированные таким образом свиньи тем же иммунитетом, что и бородавочники (и, что, наверное, не менее важно, – сможет ли общественность принять новых генетически модифицированных животных). Исследователи, по крайней мере, уверены, что потребители не будут возражать против небольшого улучшения, которое сделает животных более здоровыми, – особенно если такое улучшение уже существует в природе[144].

Другие животные с отредактированным геномом, которые могут появиться в ближайшем будущем

Еще один пример редактирования генома крупного рогатого скота – достижение миннесотской компании Recombinetics, которой удалось генетически модифицировать коров таким образом, чтобы у них не росли рога. Цель этой работы – обойтись без жестокой (но весьма распространенной на европейских и американских молочных фермах) процедуры обезроживания (удаления рогов). Работа с рогатыми животными в замкнутом пространстве может быть опасна и для фермеров, и для самих коров. Обычно рога удаляют у еще молодых животных, выжигая роговые бугорки раскаленным железом, при этом повреждая соседние ткани и причиняя телятам значительную боль и стресс[145]. Только в США более тринадцати миллионов телят ежегодно подвергаются этой процедуре.

Впрочем, далеко не у всех коров есть рога. Коровы многих мясных пород – включая популярную абердин-ангусскую – от природы безрогие. В 2012 году группа немецких исследователей точно установила генетическую причину комолости: это сложная мутация, включающая делецию 10 “букв” ДНК и вставку 212 “букв” на хромосоме 1[146]. На основе этой информации ученые из Recombinetics использовали технику редактирования генома, чтобы воспроизвести это изменение в геноме быков первоклассной молочной породы, создав животных, хорошая наследственность которых, сформированная веками искусственного отбора на наиболее эффективное производство молока, в остальном не поменялась[147]. Первые такие животные, два безрогих теленка Спотиджи и Бури, никогда не подвергнутся ужасной процедуре обезроживания[148].

Рано или поздно регулирующие государственные органы и потребители, определяющиеся со своим отношением к ГМ-животным, должны будут решить, что важнее – цель или средства, продукт или процесс, в результате которого он создается? Безрогих коров и быков можно вывести и путем традиционной селекции, но на это потребуются долгие годы. Редактирование генома попросту позволяет добиться тех же результатов гораздо быстрее. Если CRISPR и другие подобные технологии помогут нам обойтись без жестоких практик вроде обезроживания, снизить использование антибиотиков и защитить животных от смертельных инфекций, почему нам не использовать их?

Животноводы и работники пищевой промышленности – не единственные, кто занят редактированием генома животных. Этим занимаются и специалисты в области биологии и медицины, чья цель – улучшить жизнь людей, используя методы, протестированные на ГМ-животных (а в некоторых случаях и открытые в ходе изучения этих последних).

Эксперименты на животных жизненно необходимы для изучения заболеваний человека, проводят ли их для подтверждения генетических причин конкретных недугов, для тестирования потенциальных лекарств или оценки эффективности медицинского вмешательства, будь то хирургические методы или клеточная терапия. Необходимая отправная точка здесь – хорошая генетическая модель, то есть животное, по своим физическим и генетическим параметрам и состоянию максимально близкое к тому, что наблюдается у данной группы пациентов. CRISPR предлагает тут эффективный и простой подход.

С начала XX века главным модельным организмом для биологических и медицинских исследований служит домовая мышь (Mus musculus), у которой 99 % генов совпадают с человеческими. Вдобавок к тому, что мыши – наши близкие генетические родственники, у них есть и другие очевидные преимущества. У мышей и людей похожа физиология различных систем – иммунной, нервной, сердечно-сосудистой, опорно-двигательной и других. Мышей можно разводить в неволе, содержать их несложно и недорого, поскольку это небольшие, мирные и плодовитые животные. “Ускоренное” течение их жизни – один год жизни мыши приблизительно равен тридцати человеческим – означает, что весь их жизненный цикл можно пронаблюдать в лаборатории всего за несколько лет. И, что, возможно, наиболее важно, с помощью различных методов – из них CRISPR самый современный и самый мощный – над мышами можно проводить генетические манипуляции для моделирования множества болезней и состояний человека. Ежегодно по всему миру разводят и поставляют исследователям миллионы мышей, и существует свыше тридцати тысяч уникальных линий этих грызунов, используемых для изучения самых различных заболеваний – от рака и болезней сердца до слепоты и остеопороза[149].

Однако у использования мышей в качестве модельных организмов есть и некоторые ограничения, поскольку в случае многих человеческих недугов – к примеру, муковисцидоза, болезней Паркинсона и Альцгеймера, хореи Гентингтона – эти животные не проявляют основных симптомов или реагируют на потенциальные методы лечения нетипично. В результате появляется разрыв в последовательности “от исследования до пациента” (bench-to-bedside) – то есть в процессе, в ходе которого результаты научной работы в лаборатории становятся основой для новых способов лечения в клинике.

CRISPR сможет заполнить этот пробел, сделав моделирование заболеваний на других животных практически таким же доступным, как на мышах. Прогресс уже сегодня можно увидеть на примере нечеловекообразных приматов. Трансгенные обезьяны впервые были созданы в начале 2000-х, когда исследователи использовали вирусы для введения чужеродных генов в геномы животных, однако обезьян с отредактированным геномом не было до появления CRISPR. Лишь в начале 2014 года команда китайских ученых создала яванских макак с отредактированным геномом, введя CRISPR в эмбрионы на стадии одной клетки – подобный метод был опробован на мышах годом ранее[150]. В этом исследовании ученые запрограммировали CRISPR таким образом, чтобы его мишенями были одновременно два гена: один – связанный с синдромом тяжелого комбинированного иммунодефицита (ТКИД) у человека, а другой – связанный с ожирением (оба они очевидным образом влияют на наше здоровье). Позже другие ученые создали яванских макак с измененным геном, мутации в котором наблюдаются примерно при 50 % разновидностей рака у человека[151], а также макак-резусов с мутациями, вызывающими миодистрофию Дюшенна[152]. Редактирование генома также используется для работы с генами, связанными с болезнями нервной системы[153], при этом у обезьян в качестве модельных организмов есть уникальное преимущество: лишь на них можно изучать поведенческие и когнитивные отклонения, встречающиеся у людей.

В некотором смысле я чувствую себя неуютно, думая о подобном использовании обезьян, однако я также осознаю, насколько важно разрабатывать методы устранения симптомов и лечения человеческих болезней для облегчения наших страданий. Обезьяны с отредактированным геномом могут служить надежной заменой для пациентов-людей, позволяя ученым искать способы излечения, не подвергая риску человеческие жизни.

Свиньи благодаря CRISPR также стали популярными животными для моделирования болезней человека. Анатомия свиней близка к человеческой, эти животные быстро растут, и у них большой размер помета. Я считаю, что при условии выработки хороших методических указаний использование сельскохозяйственных животных для биомедицинских исследований более приемлемо, чем использование животных-компаньонов (“домашних питомцев”), таких как приматы. На самом деле свиней с отредактированным геномом уже использовали в качестве модельных организмов для изучения дефектов пигментации, различных вариантов тугоухости, болезни Паркинсона и иммунологических нарушений, и этот список продолжает расти.

Некоторые ученые рассматривают свиней также в качестве потенциального источника лекарств. В скором времени мы, возможно, будем использовать свиней в качестве биореакторов для выработки ценных препаратов, например терапевтических белков человека, которые слишком сложны для синтеза с нуля и могут вырабатываться только в живых клетках. Ученые уже думали над тем, какие еще трансгенные животные могут производить такие биофармацевтические препараты. Первый такой препарат, одобренный FDA, – антикоагулянт под названием антитромбин, и его получают из молока генетически модифицированных коз. Другой разрешенный агентством препарат выделяется из молока трансгенных кроликов, а в 2015 году FDA дало зеленый свет белковому лекарству, добываемому очисткой белков из яиц трансгенных кур[154].

Получение подобных препаратов из трансгенных животных, а не из культур клеток обладает рядом преимуществ[155]: большее количество продукта, более простое масштабирование производства и меньшие затраты. CRISPR гарантирует дальнейшее совершенствование производства фармпрепаратов, прежде всего обеспечивая ученым гораздо лучший контроль над созданием трансгенных животных. К примеру, опыты на свиньях показали, что CRISPR позволяет безошибочно заменить гены свиньи человеческими, что позволяет эффективнее выделять терапевтические белки, кодируемые этими генами[156]. Если принять во внимание, что многие из самых продаваемых в мире фармпрепаратов основаны на белках, то огромный потенциал использования редактирования генома в этой области медицины становится очевидным.

Некоторые ученые надеются, что свиньи могут предоставить медицине даже больше: обильный возобновляемый источник целых органов для ксенотрансплантации. Это не новая идея; ученые уже долгое время рассматривают свиней в качестве кандидатов на роль такого источника по тем же причинам, по которым их используют для моделирования болезней, – их легко разводить, они быстро размножаются, а их органы по размеру чрезвычайно близки к человеческим. Однако эту мечту вряд ли удастся осуществить в ближайшее время. В нашем теле работает целый массив защитных иммунных механизмов, и поэтому отторжение донорских органов – серьезнейшая проблема и для врачей, и для пациентов, даже когда речь идет о трансплантации от человека к человеку. Пока что известны буквально считанные случаи ксенотрансплантации, когда пересаженный орган удалось удержать в организме реципиента хоть сколько-нибудь долго.

При этом мир еще никогда так остро не нуждался в новых способах трансплантации, как сейчас. В одних лишь США свыше 124 000 пациентов в настоящее время стоят в очереди на эту процедуру, при этом в год проводится лишь около 28 000 пересадок[157]. По некоторым оценкам, к этой очереди каждые десять минут добавляется еще один человек[158] и в среднем двадцать два человека в день умирают в ожидании своих трансплантатов – либо их состояние ухудшается настолько, что они уже не смогут перенести трансплантацию. Главная причина этой катастрофической ситуации – недостаток донорских органов.

Новые технологии, в том числе и CRISPR, дают возможность создавать свиней с органами, подходящими для пересадки человеку. Предыдущие достижения в этой сфере в основном были связаны с переносом генов человека в геном свиньи, так чтобы ее органы не подвергались слишком жесткому отторжению, которое угрожает любому ксенотрансплантату. Теперь редактирование генома используется, чтобы выключить те свиные гены, которые могут спровоцировать у человека иммунный ответ, и исключить риск заражения человека встроенными в геном свиней вирусами[159]. Наконец, благодаря технологиям клонирования стало возможно органично совмещать различные генетические изменения в одном животном. Глава одной известной компании, деятельность которой связана с этой областью, обозначил свою главную цель так: “обеспечить неограниченный запас органов, подходящих для пересадки” – то есть таких, которые могут быть произведены на заказ[160].

Ксенотрансплантация с использованием гуманизированных свиней

Этот проект пока находится на самой ранней стадии, однако использование гуманизированных ГМ-свиней уже помогло добиться ряда выдающихся достижений: пересаженная бабуину свиная почка проработала свыше полугода, а свиное сердце в теле бабуина удачно прижилось на два с половиной года. На будущие исследования в этой сфере выделено десятки миллионов долларов, и компания под названием Revivicor уже объявила, что намерена выращивать тысячу свиней в год в лабораториях с оборудованными по последнему слову техники операционными и вертолетными площадками, так что свежие органы можно будет быстро поставлять, когда бы они ни понадобились. Начало клинических испытаний ксенотрансплантации кажется лишь вопросом времени – стоит лишь технологии CRISPR открыть новый путь для пациентов, остро нуждающихся в новых органах и новых препаратах.

Я выросла в окружении яркой флоры и фауны Гавайских островов и поэтому восхищена тем, как разнообразно используется CRISPR для генетической модификации животных, – однако хочу признаться, что испытываю также некоторое беспокойство. Я надеюсь, что домашние животные с отредактированным геномом сделают сельское хозяйство не только более прибыльным, но и более гуманным и экологичным. Модельные животные с отредактированным геномом, такие как мыши и обезьяны, помогут нам продвинуться в понимании человеческих болезней, а свиньи с отредактированным геномом послужат в будущем в качестве доноров органов, и я бы, конечно, хотела, чтобы подобные инициативы воплощались в жизнь с должным уважением к благополучию животных.

Однако, учитывая возможности CRISPR в редактировании генома, кажутся неизбежными и такие попытки использования этой технологии, в которых не будет медицинского смысла или цели сделать сельскохозяйственное разведение животных более устойчивым, продуктивным или гуманным. Вспомним, к примеру, новейшую породу миниатюрных свиней – так называемых микропигов, созданных методом редактирования генома в Пекинском институте геномики (BGI)[161]. На биотехнологическом саммите, где их впервые показали, эти очаровательные свинки привели аудиторию в полный восторг. Взрослые микропиги весят около тридцати фунтов, что сравнимо с весом собаки среднего размера, в то время как обычные свиньи могут достигать веса в двести фунтов. BGI изначально вывел микропигов в исследовательских целях, так как большой размер обычных свиней осложнял работу с ними в лабораториях. Выделив и инактивировав ген, связанный с гормоном роста, ученые смогли остановить рост этих животных, которые во всех остальных отношениях развиваются нормально. И хотя микропиги остаются полезными лабораторными животными – к примеру, в Китае на них не так давно применили CRISPR для создания модели человеческой болезни Паркинсона[162], – институт также начал продавать их в качестве домашних питомцев по цене около полутора тысяч долларов за одного микропига. Возможно, благодаря редактированию генома у потребителей однажды даже появится возможность заказывать микропигов с теми или иными признаками (цвет шкурки или узор на ней) на свой вкус.

Некоторые специалисты в области биоэтики, например Жантин Люншоф (Jeantine Lunshof) из Гарвардской медицинской школы, обеспокоены генетическими манипуляциями “с единственной целью – удовлетворить причудливые эстетические предпочтения людей”[163]. Однако я не уверена, что это однозначно плохо. В конце концов, на собачьей площадке можно встретить и крошечную чихуахуа, и огромного дога – а ведь это представители одного и того же вида. Ведь что такое селекция, если не способ управлять генами? Она просто менее предсказуема и протекает медленнее, чем CRISPR.

Есть даже доводы в пользу того, что технология CRISPR лучше для животных, чем обычная селекция. Здоровье микропигов не хуже, чем у их сородичей обычного размера, – и уж точно лучше, чем у некоторых пород собак. Для лабрадоров обычны примерно 30 наследственных заболеваний, 60 % золотистых ретриверов умирают от рака, бигли часто подвержены эпилепсии, а кавалер-кинг-чарльз-спаниели страдают от судорожных припадков и постоянных болей из-за деформированного черепа[164]. И несмотря на столь острые медицинские проблемы у наших лучших друзей в мире животных, мы продолжаем руководствоваться собственными вкусами, меняя генотип и фенотип собак.

Как бы то ни было, генетически модифицированные кошки и собаки, созданные с помощью биотехнологий, совсем скоро станут реальностью. В конце 2015 года ученые из Гуанчжоу (Китай) доложили о первом применении CRISPR на биглях: технологию использовали для увеличения мышечной массы путем отключения того самого гена миостатина, который отвечает за гипертрофию мышц у некоторых гончих и бельгийских голубых коров. Двух щенков, у которых возникла нужная мутация, назвали Геркулес и Тяньгоу (небесная собака в древнекитайской мифологии)[165]. Хотя один из ученых, проводивших этот эксперимент, и заявил, что сверхмускулистые бигли не будут разводиться в качестве домашних животных, а нужны лишь для медико-биологических исследований, он все же отметил потенциальные преимущества собак с гипертрофированной мускулатурой для нужд полиции и военных[166]. В заключение своей статьи китайские ученые замечают, что CRISPR “также может способствовать созданию новых пород собак с признаками, выгодными для других целей”.

Технологии редактирования генома настолько просты в использовании, что, конечно же, недолго придется ждать момента, когда потенциальные потребители смогут на заказ получать любые улучшения любой породы собак. Куда еще заведет нас воображение? Если мы с помощью генетических манипуляций избавили коров от рогов, то почему бы нам с помощью тех же технологий не создать, например, рогатых лошадей? И если уж мы заговорили о добавлении частей тела, зачем останавливаться на рогах? Исследователи из Калифорнийского университета в Беркли использовали CRISPR, чтобы внести ряд причудливых изменений в тела ракообразных: жабры появились там, где их быть не должно, клешни стали ногами, челюсти – антеннами, а плавательные конечности – ходильными[167]. Ученые и журналисты уже фантазируют на темы того, как CRISPR можно будет использовать для создания настоящих мифических созданий – например, получения крылатых драконов из комодских варанов[168]. В одном известном научном журнале, посвященном биоэтике, уточняется, что, хотя базовые законы физики не позволят таким существам выдыхать огонь, однако

создание очень крупной рептилии, напоминающей дракона из европейских или азиатских легенд, с крыльями, которыми она сможет махать – пусть даже и не летать с их помощью, – вполне может стать чьей-то внеплановой целью[169].

Пока одни ученые размышляют над созданием с помощью CRISPR мутантных существ, которых никогда прежде не существовало, другие исследователи хотят применить эту технологию для воссоздания реальных животных, населявших Землю в прошлом, но сегодня уже не существующих: эту область исследований назвали возрождением вымерших видов. Сама идея возникла за несколько десятилетий до изобретения CRISPR, и редактирование генома – лишь один из способов, с помощью которых ее можно попробовать воплотить. В тех случаях, когда признаки какого-то вымершего вида присутствуют в его ныне живущих видах-потомках, с помощью селекции можно вывести животное, похожее на вымерший предковый вид. Эту стратегию пытаются применить в Европе, чтобы воссоздать тура[170] (дикого быка, вымершего в начале XVII века), а также на Галапагосских островах – для возрождения вида слоновых черепах с острова Пинта, последняя представительница которых умерла в 2012 году.

В тех случаях, когда ткани вымерших животных хорошо сохранились, есть еще один подход – клонирование. К примеру, дикий пиренейский козел вымер в 1999 году, однако благодаря криогенной консервации фрагментов кожи, взятых у последней живой особи, испанским ученым удалось вживить генетический материал животного в яйцеклетку домашней козы (такую же процедуру использовали при клонировании овечки Долли в 1996 году). В результате родился козленок – и это было первое в истории рождение вымершего животного (хотя, к сожалению, новорожденный козленок умер уже через несколько минут после появления на свет)[171]. Подход, основанный на клонировании, используют российские и южнокорейские ученые в надежде возродить шерстистых мамонтов[172], используя ткани этих животных, найденные на северо-востоке России[173].

Но CRISPR делает возможным еще один способ воскрешения исчезнувших видов – похожий на вымышленный процесс возрождения динозавров, описанный в книге Майкла Крайтона “Парк Юрского периода” (и в ее последующей голливудской экранизации). В этой захватывающей научно-фантастической истории ученые ввели в ДНК лягушки гены вымерших динозавров, обнаруженные в ископаемых комарах, сохранившихся в янтаре. К сожалению (или к счастью, в зависимости от того, как вы относитесь к динозаврам), химические связи в ДНК не настолько прочные, чтобы остаться нетронутыми в течение 65 миллионов лет.

Тем не менее идея Крайтона не так уж далека от реальности. Подобную тактику в отношении шерстистых мамонтов разрабатывает команда гарвардских ученых под руководством Джорджа Чёрча. В их распоряжении есть полностью секвенированный в высоком качестве геном мамонта, полученный от ДНК двух особей, живших где-то от 60 до 20 тысяч лет назад; этот геном позволил ученым самым полным и точным образом проанализировать различия в ДНК мамонта и его ближайшего родственника – современного слона. Учитывая суровую среду, в которой обитали мамонты, неудивительно, что 1668 генов, по которым различаются геномы слона и мамонта, кодируют белки, связанные с восприятием температуры, развитием кожи и волосяного покрова и выработкой жировой ткани[174]. В 2015 году, работая с клетками слона, группа Чёрча использовала CRISPR для переделки слоновьих вариантов четырнадцати из этих генов в мамонтовые, а при последовательном редактировании генома теоретически можно проделать это и с оставшимися[175].

Полное превращение генома слона в геном шерстистого мамонта означало бы изменение свыше полутора миллионов “букв” различий ДНК между ними, и нет никаких гарантий того, что из отредактированных клеток слона в результате получится жизнеспособный эмбрион. Но даже если это и удастся сделать, то будет ли получившееся животное – рожденное слонихой, вне изначальной среды обитания мамонтов и общества других представителей этого вида – настоящим шерстистым мамонтом? Или это будет просто слон с новыми признаками, возникшими под действием генов мамонта?[176]

С того самого момента, как я впервые услышала о подобных экспериментах, я пытаюсь решить для себя: они в самом деле привлекательны? Или отвратительны? Или нечто среднее? Для меня – как и для многих ученых, специалистов в разных областях, – ответ пока неясен. Одно кажется бесспорным: некоторые варианты использования CRISPR на животных кажутся более благородными, чем другие; но каждый раз, когда я предпринимала попытку определиться с отношением к какому-то конкретному эксперименту, я безнадежно вязла в массе аргументов и контраргументов.

В самом деле, в чем смысл возрождения шерстистого мамонта или любого другого вымершего вида? Одной из причин вполне может быть изумление: чувство благоговения перед возможностями, которые дают нам природа и наука – наука на высочайшем возможном уровне. Кто-то из нас идет в зоопарк, а кто-то отправляется на сафари, чтобы посмотреть на льва или жирафа вблизи; представьте себе, какой это будет захватывающий, эмоционально насыщенный опыт – вдруг оказаться лицом к лицу с настоящим мамонтом! Есть и другие веские причины редактировать геном слона таким образом, чтобы он был больше похож на геном мамонта: это возможность сохранения находящегося под угрозой вымирания индийского слона и снижение выбросов соединений углерода в атмосферу в тундре[177].

Однако возрождение видов – этически неоднозначная идея. Если мы сами довели вид до вымирания и сейчас имеем возможность вернуть его к жизни, должны ли мы это делать? Одна из организаций, направляющих движение по возрождению видов, Long Now Foundation, считает, что должны; ее миссия заключается именно в том, чтобы “повысить биологическое разнообразие путем генетического спасения видов, находящихся под угрозой, и вымерших видов” с использованием средств генной инженерии и природоохранной науки[178]. Long Now Foundation занимается и возрождением видов, и предотвращением их вымирания. В список кандидатов на возрождение включены странствующие голуби, уничтоженные в результате чрезмерной охоты в XIX столетии; бескрылые гагарки, численность которых резко упала в XVI веке, потому что люди охотились на гагарок ради пуха; и заботливые лягушки, которых примерно в 1980 году погубил патогенный гриб, занесенный в места их обитания человеком.

Однако совершенно не факт, что современный мир примет возрожденные виды с распростертыми объятиями или что их воскрешение не влечет никаких рисков – для них самих или для нас. Так же как представители ныне живущих видов, когда их интродуцируют в чуждую для них среду, могут вызвать экологическую катастрофу в своих новых местообитаниях, так и возрожденные виды могут сильно повредить экосистемы, в которые их выпустят. И поскольку мы никогда ранее не воскрешали вымершие виды, невозможно сказать заранее, насколько велики будут потрясения, вызванные их повторным появлением, и к чему эти потрясения могут привести.

Есть и другие весомые аргументы против использования CRISPR для возрождения вымерших видов – и это примерно те же возражения, что и в вопросе создания дизайнерских домашних животных: мы должны учитывать моральные нормы и благополучие животных. Процедурам клонирования обычно сопутствуют страдания животных – различные уродства и преждевременные смерти. Сколько таких страданий мы сочтем приемлемыми ради проведения научных исследований, которые почти наверняка никак не повлияют на здоровье человека, не улучшат его? Может быть, не стоит отвлекаться на возрождение вымерших видов и на создание дизайнерских собак, а вместо этого сосредоточиться на защите существующих видов и домашних животных, с которыми жестоко обращаются, а то и вовсе бросают на произвол судьбы? И вообще, если у нас есть возможность не изменять природу еще сильнее, чем мы уже сделали, – так, может, использовать эту возможность?

CRISPR вынуждает нас ставить подобные вопросы – сложные и, вероятно, в каких-то случаях неразрешимые. Многие из них сводятся к базовым принципам взаимоотношений человека и природы. Люди меняли генетику растений и животных задолго до появления генной инженерии. Должны ли мы сегодня отказаться от влияния на окружающую среду с помощью этого нового инструмента, если в прошлом мы не проявляли подобной сдержанности? По сравнению с тем, что мы уже сделали с планетой – умышленно или нечаянно, – кажется ли редактирование генов с помощью CRISPR менее естественным? Более вредоносным? Так просто на эти вопросы не ответить.

Существует по меньшей мере один способ редактировать генофонды других видов, который, вероятно, более опасен, чем любые другие изменения планеты, когда-либо проведенные людьми. Я имею в виду революционную технологию, известную как генный драйв (gene drive), названную так потому, что она дает биоинженерам способ вводить (to drive) новые гены – а также варианты признаков, ими кодируемые, – в популяции свободноживущих организмов с беспрецедентной скоростью в ходе процесса, похожего на неостановимую цепную реакцию.

С генным драйвом, как и с другими разработками в стремительно развивающейся области редактирования генома, наука продвигается так быстро, что уследить за ее успехами сложно. Всего через год после того, как в одной теоретической статье было указано на возможность проведения генного драйва с помощью CRISPR, эта технология показала свою эффективность сначала на дрозофилах, а затем на комарах. Генный драйв эксплуатирует силу особого типа наследования, использующего один из регуляторов передачи генетической информации от поколения к поколению.

При “стандартном” половом размножении видов, у которых в клетках по две копии каждой хромосомы, потомок наследует только одну копию хромосомы от каждого родителя, и это означает, что вероятность наследования конкретного варианта гена составляет пятьдесят процентов. Однако существуют последовательности ДНК, называемые эгоистичными генами, способные повышать свою встречаемость в геноме с каждым поколением, даже если они не дают потомку никакого адаптивного преимущества. В 2003 году эволюционный биолог Остин Берт предложил метод использования эгоистичных генов для более эффективного распространения новых признаков и гарантии того, что потомки стопроцентно унаследуют конкретный фрагмент ДНК[179]. Однако идея Берта требовала технологии, которой в то время еще не существовало: легко программируемые ферменты, разрезающие ДНК и обеспечивающие простое редактирование генома.

И тут на сцену выходит CRISPR. Летом 2014-го сотрудники лаборатории Джорджа Чёрча в Гарварде под руководством Кевина Эсвельта предложили метод конструирования и запуска генных драйвов с помощью высокоэффективного редактирования генома[180]. Вкратце, идея метода основана на подходе генного нокина (gene knock-in), при котором ученые используют CRISPR для разрезания ДНК в четко заданном месте и заделывают образовавшуюся брешь вставкой новой последовательности. Впрочем, есть одно существенное отличие от генного драйва: часть новой добавленной ДНК содержит генетическую информацию, кодирующую сам CRISPR. Словно в популярном научно-фантастическом сюжете о машине, которая сама себя собирает, генный драйв CRISPR может самостоятельно копироваться в новые хромосомы, обеспечивая для себя экспоненциальный рост численности в популяции. Эсвельт предположил, что, добавляя к CRISPR различные генетические грузы, такие как гены резистентности к болезнетворным организмам, ученые могут запрограммировать CRISPR на то, чтобы копировать не только самого себя, но и любые нужные последовательности ДНК.

Судя по всему, генные драйвы действительно могут быть настолько эффективными, как это предполагает теория. В начале 2015-го Итан Бир (Ethan Bier) и его аспирант Валентино Ганц в Калифорнийском университете в Сан-Диего сообщили о первой успешной демонстрации генного драйва с участием CRISPR у обыкновенной дрозофилы[181]. Этот генный драйв использовали для введения дефектного гена окраски в геном насекомого. Вот что получилось: 97 процентов “отредактированных” мух были нового, желтого цвета вместо обычного желто-коричневого. Не прошло и полугода, как тот же коллектив получил вдобавок к этим результатам экспериментальной проверки концепции на плодовых мушках обнадеживающие данные тестов на комарах. Однако вместо того чтобы просто поменять цвет этих насекомых, новый генный драйв распространил в них ген, дающий устойчивость к малярийному плазмодию Plasmodium falciparum – паразиту, на счету которого сотни миллионов случаев малярии в год[182]. Эффективность успешной передачи этого гена комарам оказалась еще выше, чем в случае с мушками: 99,5 %.

Первый из этих генных драйвов (изменение окраски) кажется безобидным, а второй (устойчивость к малярии) выглядит полезным[183]. Но вот и третий пример. Работая независимо от калифорнийских ученых, британская команда исследователей – в ее состав входит и биолог Остин Берт, разработавший саму концепцию генного драйва, – создала легко передающиеся генные драйвы, распространяющие гены стерильности самок малярийных комаров[184]. Поскольку эта стерильность – рецессивный признак, гены должны были стремительно распространиться в популяции, а их частота должна была повышаться до тех пор, пока у каждой самки не окажется по две соответствующие копии, – и в этот момент наступит коллапс популяции. Вместо того чтобы избавиться от малярии, генетически изменив комаров таким образом, что они больше не были способны переносить заболевание, на этот раз был использован более грубый инструмент – истребление популяции, лишенной способности к размножению. Если бы этот подход был применен к популяциям комаров в природе, это могло бы в конце концов привести к полному уничтожению данного вида.

Это не первый случай, когда ученые обращаются к генной инженерии для снижения численности насекомых. Обычная практика, использующаяся уже несколько десятилетий, – выпуск в природу стерилизованных самцов; с помощью этой технологии фактически был уничтожен ряд вредителей сельского хозяйства в Северной и Центральной Америке[185]. Другой подход, который разрабатывает британская компания Oxitec, – вставка летального гена в геном комара; полевые испытания этого метода уже прошли в Малайзии, Бразилии и Панаме[186]. Впрочем, в эти подходы изначально встроены самоограничения; генетические изменения быстро уничтожаются естественным отбором, и единственный способ действительно уменьшить численность комаров – периодически выпускать в природу большие партии модифицированных насекомых.

Использование CRISPR для создания генного драйва у комаров

В отличие от описанных выше, генные драйвы с CRISPR способны к самоподдержанию; поскольку характер наследования, по всей видимости, оказывается сильнее естественного отбора, модифицированные насекомые распространяются и передают свои дефектные признаки без ограничений. Эта устойчивость и делает генные драйвы такими мощными – и потенциально опасными – инструментами. Подсчеты показывают, что, если бы одна дрозофила из лаборатории в Сан-Диего в ходе первых экспериментов с генным драйвом оказалась на воле, она “раздала” бы кодирующие CRISPR гены (вместе с желтым цветом тела) 20–50 % всех плодовых мушек в мире[187].

Ученые, занимающиеся генными драйвами с использованием CRISPR, должны тщательно взвешивать риски перед каждым новым экспериментом; им необходимо разработать методические указания, обеспечивающие безопасность будущих исследований[188]. Возможно, наиболее очевидная гарантия того, что генный драйв случайно не вырвется в природу, – это жесткое ограничение: физические барьеры, отделяющие организмы от окружающей среды, и экологические барьеры между естественным ареалом конкретного организма и географическим положением лаборатории. На недавней конференции, где Итан Бир представлял результаты своих исследований, он показывал слушателям фотографии систем и процедур безопасности, призванных предотвратить случайный “побег” подопытных насекомых. Но ученые также предложили набор процедур для инактивации вышедших из-под контроля генных драйвов и на случай, если все принятые меры предосторожности окажутся неэффективными. Одна из таких процедур называется обратный драйв (reversal drive)[189] и представляет собой, по сути дела, антидот, перезаписывающий информацию поверх изменений в геноме, сделанных первым драйвом.

Даже при самом тщательном планировании экспериментов и соблюдении мер предосторожности при их выполнении мы не можем предусмотреть все опасности для окружающей среды, потенциально исходящие от генного драйва, и не в состоянии свести к нулю вероятность того, что генный драйв выйдет из-под контроля и нарушит тонкий баланс какой-либо экосистемы. Эти риски были отражены в недавнем совместном докладе Национальной академии наук, Национальной инженерной академии и Национальной академии медицины США[190], в котором были одобрены лабораторные (и некоторые полевые) исследования, проводящиеся в настоящее время, но было рекомендовано не выпускать генные драйвы в окружающую среду.

Также невозможно гарантировать, что этот невероятно мощный инструмент не окажется в руках людей, которые не остановятся перед тем, чтобы использовать генные драйвы кому-то во вред, – которых скорее даже привлекает мысль применять драйвы именно с этой целью. The ETC Group, международная инициативная организация, выступающая за развитие законодательного регулирования в области экологии и биологии, опасается, что генные драйвы (группа именует их “генными бомбами”) могут быть использованы в военных целях – например, для изменения микробиома человека или вывода из строя основных источников пищи[191].

Но как бы ни пугали нас генные драйвы, вряд ли мы сможем без конца оправдать их вечное заточение в стенах лабораторий. По словам Остина Берта,

ясно, что описанная здесь технология – не для простых случаев. Но, учитывая, какие страдания принесли человечеству некоторые виды организмов, игнорировать эту технологию тоже, очевидно, не стоит[192].

Генные драйвы обещают нам гораздо более прицельный подход к глобальным проблемам сельского хозяйства, сохранения видов и здоровья человека, чем ранее существовавшие технологии. Вот лишь несколько предложенных применений генного драйва: обращение генетических причин (reversal drive) устойчивости к гербицидам и пестицидам, развившихся у вредителей сельского хозяйства; сохранение биоразнообразия путем контроля численности или даже полного уничтожения (в отдельных регионах) популяций инвазивных видов, таких как сазан, жаба-ага или домовая мышь; уничтожение инфекционных заболеваний – таких как болезнь Лайма (вызываемая бактерией, которая переносится клещами)[193] и шистосомоз (вызываемый паразитическими плоскими червями, которые переносится водными брюхоногими моллюсками). Но пока чаще всего говорят о генном драйве применительно к комарам.

Комары – виновники большего числа человеческих страданий, чем любое другое существо на Земле. Комары переносят малярию, лихорадку Денге, лихорадку Западного Нила, лихорадку Чикунгунья, лихорадку Зика и многие другие заболевания, которые все вместе уносят более миллиона жизней в год[194]. Генные драйвы с использованием CRISPR, вероятно, будут лучшим оружием против этой вездесущей угрозы – независимо от того, лишим ли мы комаров способности переносить конкретные патогены или полностью уничтожим этих насекомых. Стратегии борьбы с комарами с использованием генов, подобные CRISPR, могут оказаться более безопасными, чем ядовитые пестициды, и они позволяют решать биологические проблемы с помощью самой биологии.

Будет ли для нас благом или, наоборот, окажется проклятием внезапное избавление от крылатых вредителей, населявших Землю более ста миллионов лет? Удивительно, но ученые не слишком-то беспокоятся о том, что станет с миром в случае исчезновения комаров. Как выразился один энтомолог, если мы уничтожим их завтра, экосистемы, частью которых были комары, лишь немного побарахлят и вскоре продолжат работать как обычно[195]. Если этот ученый прав и мы способны создать мир, свободный от болезней, которые переносятся комарами, можем ли мы себе позволить не рискнуть создать его?

Я задаю эти вопросы, поскольку тоже ищу ответы на них. Без сомнения, эти вопросы относятся к числу наиболее острых научных проблем, стоящих перед нами сегодня. Жизненно необходимо, чтобы мы все высказали мнение по поводу того, каким образом нам стоит применять эту новую биотехнологию в растительном и животном мире. Я надеюсь, что соответствующее образование и вдумчивый самоанализ помогут нам ответить на эти вопросы – и мы сможем извлечь пользу из “отредактированной” флоры и фауны, избежав при этом самых больших опасностей.

Как и многие другие ученые, я не могу не рассматривать эксперименты на растениях и животных как некие испытательные запуски в процессе приближения к конечной цели редактирования генома. Я имею в виду, конечно, мечту, которую мы с Эммануэль вынашивали с тех пор, когда впервые задумались о последствиях нашего совместного исследования, – мечту о том, что однажды наша работа поможет переписать ДНК пациентов-людей, чтобы исцелить их от болезней.

Год 2015-й подходил к концу, и я завершала обычные для конца семестра дела: выставляла оценки студентам и составляла сметы проектов, а также определяла цели научных исследований на будущий год. Впрочем, одновременно с этим я готовилась к выполнению еще одной необычной задачи – докладу, который мне предстояло вскорости представить вице-президенту Джо Байдену на Всемирном экономическом форуме в Давосе, Швейцария, в январе 2016 года.

Приглашение выступить вместе с вице-президентом было самым свежим подтверждением статуса CRISPR как медицинского инструмента. Но еще до этого приглашения я планировала посетить Давос, где лидеры государственных структур и частных компаний собираются каждую зиму, чтобы обсудить глобальные насущные вопросы. Этот визит на форум должен был стать для меня вторым, и на нем, как и в предыдущий раз, меня попросили рассказать о технологии CRISPR и ее влиянии на мировую экономику и общественную жизнь, включая те воздействия, которые она способна оказать на мир медицины.

Однако приглашение вице-президента Байдена было, вероятно, наиболее весомым признанием значения этой технологии для сферы здравоохранения. Не менее значима была и непосредственная причина приглашения: Байден должен был дать пресс-конференцию, на которой вместе с учеными и врачами рассказал бы об инициативе президента Обамы по координации усилий в борьбе с раком. В стиле американской космической программы 1960-х, в рамках которой планировалось отправить человека на Луну – и в короткие сроки эти планы воплотились в жизнь, – этот “полет к раку” был призван собрать вместе лучшие умы страны ради поиска средств для исцеления от рака во всех его проявлениях. Тот печальный факт, что незадолго до этого после многолетней борьбы с раком мозга ушел из жизни Бо Байден, сын вице-президента, сделал повод еще более весомым, обнажив человеческие трагедии и боль, которую рак, не разбирая, причиняет такому множеству семей.

Хоть это и было непросто, я сумела найти коллегу, который мог в январе подменить меня на кафедре, и отправилась в Давос пораньше, чтобы принять участие в пресс-конференции Байдена, которая оказалась ровно настолько прекрасной, насколько и предполагалось. Я узнала много нового от других участников, многие из которых были учеными, непосредственно принимавшими участие в исследованиях рака, в разработке лекарств и лечебной практике. По мере того как они делились с аудиторией новейшими открытиями в этой области медицины, мне становилось все яснее, как далеко мы продвинулись в лечении рака с 1995 года, когда мой отец вступил в краткую и столь неравную борьбу с меланомой. Но так же четко я поняла, сколько нам еще требуется пройти, чтобы найти эффективные средства лечения этой болезни – и уж тем более полного избавления от нее. И тут я в очередной раз напомнила себе, каким образом CRISPR может ускорить процесс прохождения этого пути.

На пресс-конференции, обсуждая технологию CRISPR и ее применение в лечении рака, я видела перед собой батарею телекамер и толпу аккредитованных журналистов – и внезапно почувствовала, что смотрю на себя глазами этих репортеров, недоумевающих: а что специалист по биохимии РНК делает рядом с врачами, посвятившими себя борьбе с раком? Для меня было честью присутствовать там, и в то же время я была слегка смущена тем, какой далекий – и в прямом, и в переносном смысле – путь я проделала, чтобы обсуждать столь важный вопрос здравоохранения плечом к плечу с вице-президентом Соединенных Штатов.

Среди политиков и ученых (да и во всем обществе) все больше признается важная роль, которую редактирование генома может сыграть в разработке новых методов лечения или даже в полной победе над различными заболеваниями. В дополнение к федеральной поддержке фундаментальных исследований в этой области в форме грантов в процесс все больше вовлекается и частный бизнес. В число сооснователей трех связанных с терапией стартапов, два из которых базируются в Кембридже, штат Массачусетс, и один – в швейцарском Базеле, входят ученые (включая меня и Эммануэль), и эти стартапы уже получили венчурные инвестиции в размере сотен миллионов долларов[196]. На момент написания этих строк все эти три компании стали открытыми акционерными обществами. Пенсильванский университет проводит клиническое исследование основанного на CRISPR средства, которое может стать первым разрешенным в США препаратом подобного рода; инвестор проекта – интернет-миллиардер Шон Паркер[197]. Новый биотехнологический институт в Сан-Франциско, аффилированный с Калифорнийским университетом в Беркли, Калифорнийским университетом в Сан-Франциско и Стэнфордским университетом, получил щедрую поддержку более чем в полмиллиарда долларов от основателя Facebook Марка Цукерберга и его жены, педиатра Присциллы Чан[198]. А в Области залива Сан-Франциско я имела честь открыть Институт инновационной геномики, в чьи цели входит управление CRISPR-подобными технологиями таким образом, чтобы эти технологии направляли революцию в генной инженерии на борьбу с недугами[199].

Если эти примеры на что-то и указывают, так это на то, что в будущем медицина будет все чаще пользоваться CRISPR; при этом будут возникать новые альянсы и новые способы партнерства общественных и частных спонсоров. Но нам не нужно ждать, чтобы своими глазами увидеть мощь CRISPR в предотвращении заболеваний. Свидетельства уже сегодня прямо перед нами.

Доклинические испытания на животных уже показали невероятную способность CRISPR находить и “чинить” мутировавшие гены внутри живых организмов. В декабре 2013-го, меньше чем через год после того, как несколько лабораторий, включая мою собственную, сообщили об успешном использовании полученных из бактерий молекул CRISPR для редактирования генома клеток человека, группа китайских ученых запрограммировала те же молекулы CRISPR находить и исправлять мутацию размером в одну “букву” среди 2,8 миллиарда “букв” ДНК в геноме мыши. Таким образом, они впервые смогли полностью вылечить генетическое заболевание с помощью CRISPR, применив его на целом животном (а не отдельных клетках)[200].

Эта новость повергла меня в шок, хоть я и не могу сказать, что была удивлена, учитывая, как быстро появлялись новые варианты использования технологии. И все же налицо было фундаментальное достижение: был создан первый представитель нового типа ювелирно точных средств генетической терапии, и его появление, по всей видимости, отметило начало новой эры в медицине – эры, в которой хотя бы некоторые из семи с лишним тысяч генетических заболеваний человека, каждое из которых вызвано “собственной” мутацией в одном конкретном гене, могут быть излечены благодаря универсальному молекулярному инструменту.

Проведенные в Китае эксперименты, подтверждающие такую возможность, излечили мышей от врожденной катаракты – недуга, при котором дефектная копия гена приводит к затуманиванию и общему ухудшению зрения. На протяжении следующей пары лет ученые применили CRISPR для излечения мышей от мышечной дистрофии (тяжелого заболевания, при котором истощается мышечная ткань), а также от различных нарушений обмена веществ, затрагивающих печень. Параллельно с этим, работая на культурах человеческих клеток, часто берущих начало от образцов тканей пациентов, сотни исследователей использовали CRISPR для исправления непрерывно растущего числа мутаций ДНК, связанных с некоторыми из наиболее тяжелых генетических болезней – от серповидноклеточной анемии и гемофилии до муковисцидоза и тяжелого комбинированного иммунодефицита. Неважно, какие именно изменения ДНК стали причиной заболеваний – неверные “буквы” в последовательности, пропущенные “буквы”, лишние “буквы” или даже масштабные хромосомные нарушения, – казалось, нет такой “однобуквенной” ошибки, которую CRISPR неспособен исправить!

Некоторые ученые используют CRISPR, чтобы блокировать вирусные инфекции в человеческих клетках, то есть фактически делать то же самое, что эта система молекулярной защиты делает в клетках бактерий. Первые клинические испытания редактирования генома нацелены на излечение ВИЧ/СПИД путем изменения клеток собственной иммунной системы пациента таким образом, чтобы вирус не мог войти в них. В другом выдающемся исследовании человеческая жизнь была впервые спасена с помощью редактирования генома в сочетании с другим прорывом в медицине – технологией иммунотерапии рака, в ходе которой иммунную систему пациента “натаскивают” на то, чтобы она сама находила и уничтожала раковые клетки.

Поддаться всеобщему энтузиазму легко. Тот факт, что редактирование генома потенциально может навсегда повернуть вспять течение болезни, воздействовав на лежащую в основе этой болезни генетическую аномалию, будоражит воображение. Но еще сильнее волнует нас тот факт, что CRISPR можно перепрограммировать на охоту за новыми ДНК-мишенями, а значит, и за новыми заболеваниями. Учитывая выдающийся потенциал CRISPR, я за последние несколько лет привыкла к частым просьбам о помощи от фармацевтических компаний, которым необходима информация о технологии CRISPR и о том, как ее можно задействовать в поиске новых терапевтических средств.

Но терапевтическое редактирование генома по-прежнему находится в зачаточном состоянии – клинические испытания только-только начались, – и существует еще несколько фундаментальных вопросов о том, как дальше будут развиваться события. Многолетние попытки воплотить в жизнь теоретические обещания, которые дает генная терапия, должны служить напоминанием, что прорывы в медицине почти всегда оказывается сложнее осуществить, чем думалось изначально. И для CRISPR дорога от лаборатории в клинику тоже будет длинной и трудной.

Клетки каких типов сделать мишенью – вот одна из многих дилемм, стоящих перед исследователями. Стоит ли редактировать соматические клетки (от греческого σῶμα, то есть “тело”) или половые, герминативные клетки (от латинского germen, что означает “бутон” или “росток”)? Различия между этими двумя типами клеток – тема одной из наиболее жарких и оживленных дискуссий в мире современной медицины.

Половые клетки – это любые клетки, чей геном может быть унаследован следующими поколениями, поэтому они составляют зародышевый путь организма – поток генетического материала, передаваемый от поколения к поколению. Самые известные и очевидные половые клетки в организме – яйцеклетки и сперматозоиды, но, помимо них, зародышевый путь включает в себя предшественников этих зрелых гамет, а также стволовые клетки, имеющиеся в эмбрионе начиная с самых ранних стадий развития.

Соматические клетки – это фактически все остальные клетки тела: сердце, мышцы, головной мозг, кожа, печень – любая клетка, чья ДНК не может быть передана потомкам.

Специалисты по генетике мышей (и животноводы в целом) ухватились за возможность менять геном половых клеток с помощью CRISPR. Редактирование генома клеток зародышевого пути – наиболее эффективный способ применения технологии. Обычно к тому времени, как мышь с болезнетворной генетической мутацией достигнет зрелости, исправлять ошибку уже слишком поздно: изначальная ошибка в одной оплодотворенной яйцеклетке скопировалась в миллиарды потомков этой клетки, и теперь устранить все до единого следы заболевания уже невозможно. (Представьте, что вы пытаетесь исправить ошибку в газетной заметке, когда газета уже напечатана и ее развезли по киоскам. А теперь сравните это с ситуацией, когда заметка с ошибкой все еще представляет собой лишь текстовый файл в компьютере редактора.) Сосредоточив усилия на клетках зародышевого пути, ученые могут отправить CRISPR в эмбрион на самой ранней стадии развития и устранить мутацию в единственной клетке, из которой этот зародыш состоит. На протяжении всего развития эмбриона до стадии взрослого организма “починенная” ДНК аккуратно копируется в каждую дочернюю клетку, включая половые клетки, которые в конечном счете передадут геном последующим поколениям.

Редактирование геномов клеток зародышевого пути оказалось полезным инструментом исследований на лабораторных мышах, однако его применение на человеке ставит серьезные вопросы безопасности и этики. Стоит ли нам манипулировать геномом нерожденных младенцев и подчищать генофонд Homo sapiens – причем таким образом, что эти изменения нельзя будет просто взять и отменить? Готовы ли мы как вид взять на себя управление собственной эволюцией и ответственность за нее, преднамеренно внося мутации в наш геном, – вместо того чтобы оставить это случайности? Ответы на эти чрезвычайно сложные вопросы имеют огромное значение, и я еще остановлюсь на них подробно в двух последних главах книги.

Различия между соматическими и половыми клетками

С этической точки зрения с редактированием соматических клеток для лечения генетических болезней все обстоит гораздо проще, чем с редактированием половых клеток, поскольку изменения в первых не могут передаться потомкам пациента. На практике, правда, все намного сложнее. Исправить патогенную мутацию в одной-единственной половой клетке намного проще, чем пытаться сделать то же самое примерно в пятидесяти триллионах соматических клеток, составляющих человеческое тело. Чтобы обойти это препятствие, ученым придется решить ворох новых проблем – но это нам придется сделать, если мы хотим помочь множеству мужчин, женщин и детей, страдающих генетическими заболеваниями. В таких случаях редактирование половых клеток никак не поможет облегчить страдания: уже слишком поздно. Редактирование генома соматических клеток – единственный способ.

Трудно себе представить, что редактирование генома может обратить вспять течение заболевания у любого человека, и уж тем более у взрослого, который существовал с этим заболеванием всю жизнь. Болезнь к моменту начала генной терапии может укорениться уже очень глубоко, и изменение ДНК пациента не обязательно избавит его от накопившихся в течение жизни последствий поломки генетического кода.

Разумеется, есть границы того, что мы можем делать с помощью CRISPR в этом ключе. Некоторые заболевания не имеют четко известных генетических причин, и при определенных недугах, таких как шизофрения или ожирение, генетике отводится сложносоставная роль: многие гены вовлечены в развитие патологии, но каждый привносит лишь небольшой вклад. Учитывая, как тяжело будет использовать CRISPR для безопасного и эффективного редактирования единственного гена в человеческом теле, вряд ли мы в обозримом будущем сможем одновременно редактировать несколько генов сразу.

CRISPR дает наиболее широкие возможности для лечения моногенных наследственных заболеваний – таких, которые вызываются мутацией в одном-единственном гене. Говоря простыми словами, эти заболевания возникают, если в результате экспрессии мутантного гена либо получается дефектный белок, либо вообще не образуется белка. Если редактирование гена сможет восстановить нормальное производство полностью функционального белка до того, как генная мутация нанесет непоправимый вред, то это редактирование может стать одноразовым вмешательством, терапевтический эффект которого продержится до конца жизни пациента. Это отличает генную терапию от существующих сегодня способов лечения генетических заболеваний, которые обычно заключаются во временных решениях с использованием трансплантатов или периодических введений лекарств. Что важно, врачам не нужно будет редактировать все клетки тела пациента, чтобы излечить генетическое заболевание. Даже если все клетки несут патогенную мутацию, симптомы зачастую проявляют себя только в тех тканях, где наиболее важно нормальное функционирование мутантного гена. К примеру, иммунодефициты по большей части влияют на белые кровяные тельца; хорея Гентингтона в первую очередь губит нейроны головного мозга; серповидноклеточная анемия затрагивает только красные кровяные тельца, а муковисцидоз наносит ущерб по большей части легким. А коль скоро проявления генетических заболеваний локальны, то и методы их лечения должны быть направлены на клетки в наиболее затронутых болезнью частях тела. Никто не говорит, что будет легко доставить CRISPR в эти места и уж тем более – внедрить его именно в нужные клетки. Задача доставки – одна из главнейших проблем, с которыми столкнутся технологии редактирования генома соматических клеток.

Доступные стратегии доставки можно разделить на две основных категории: редактирование генома in vivo (от латинского “в живом”, как упоминалось ранее) и редактирование генома ex vivo (от латинского “вне живого”). В рамках первого подхода CRISPR направляют прямо в тело пациента, чтобы инструмент проделал свою работу в месте повреждения; в рамках второго клетки пациента редактируют вне тела пациента и затем возвращают в него. Терапия ex vivo – гораздо более простой подход, и поскольку ученые освоили редактирование геномов клеток в лаборатории, мы на один шаг ближе к ней, чем к генной терапии in vivo. Другое преимущество редактирования генома ex vivo заключается в том, что клетки с отредактированными генами можно подвергнуть строгому контролю качества, прежде чем возвращать их в тело пациента.

CRISPR-терапия ex vivo

Поскольку для редактирования генома ex vivo необходимо извлечь больные клетки из тела пациента, этот метод отлично подходит для терапии заболеваний крови. Используя комбинацию редактирования генома, донорства крови и методов ее переливания, врачи могут изъять пораженные клетки крови из тела пациента, отредактировать их с использованием CRISPR и вернуть в кровеносную систему. Две потенциальных мишени для CRISPR-терапии ex vivo – это серповидноклеточная анемия и бета-талассемия. Оба эти генетических заболевания характеризуются тем, что возникают из-за дефектов молекулы гемоглобина – это главная белковая составляющая красных кровяных телец, вещество, переносящее кислород от легких к другим тканям тела. Причины дефектов в этой молекуле – мутации в гене бета-глобина, кодирующем одну из двух уникальных белковых цепочек, составляющих молекулу гемоглобина.

Серповидноклеточную анемию и бета-талассемию и сегодня можно полностью вылечить пересадкой красного костного мозга. Когда врачи пересаживают костный мозг от здорового донора больному реципиенту, стволовые клетки крови, коих множество, начинают образовывать новые здоровые красные кровяные тельца, и этот процесс работает до конца жизни пациента. Проблема с этим типом пересадки стволовых клеток заключается в нехватке здоровых доноров, которые одновременно подходят реципиенту с иммунной точки зрения и согласны пройти инвазивную процедуру. Даже когда подходящий донор найден и тело пациента приняло пересаженные клетки, процедура несет определенные риски; у многих больных развивается болезнь “трансплантат против хозяина”, вариант обратной иммунной реакции, который может привести к летальному исходу.

Редактирование генома может решить эту проблему, позволяя пациентам одновременно играть роль и реципиента, и донора стволовых клеток. Если врач сможет изолировать стволовые клетки из красного костного мозга пациента, “починить” мутантные гены с помощью CRISPR, а затем вернуть эти отредактированные клетки пациенту, то не придется думать о доступности донорского материала и о риске иммунного конфликта между телом пациента и пересаженными клетками. Многочисленные исследовательские коллективы уже убедительно показали, что геномы клеток пациентов можно с высокой точностью репарировать в лаборатории и что эти отредактированные клетки производят заметные количества здорового гемоглобина; ученые даже показали, что отредактированные клетки человека могут функционировать в теле иммунокомпрометированных (то есть имеющих ослабленный иммунитет) мышей. Сегодня исследователи и в научных учреждениях, и в коммерческих компаниях работают над тем, чтобы сделать эту процедуру доступной для пациентов.

Есть веская причина для оптимизма по поводу клинических испытаний с редактированием генома ex vivo, учитывая недавние успехи на смежном поле генной терапии ex vivo же. (Вспомните, что при редактировании генов репарация мутантных копий происходит прямо в геноме, в то время как при генной терапии в ДНК вводятся новые, здоровые гены.) Биотехнологическая компания Bluebird Bio разрабатывает продукт для лечения бета-талассемии и серповидноклеточной анемии посредством вставки новых генов бета-глобина в стволовые клетки крови, а GlaxoSmithKline сходным образом создала эффективное средство для генной терапии, которое излечивает тяжелый комбинированный иммунодефицит путем вставки недостающего гена в геном. В обоих случаях общая стратегия вмешательства одинакова: изъять клетки пациента, исправить их в пробирке, а затем вернуть в тело пациента. Впрочем, редактирование генома с большой вероятностью будет более безопасным, поскольку оно вносит настолько мало изменений в геном, насколько это возможно.

Самое первое клиническое испытание редактирования генов ex vivo показало, насколько перспективна эта процедура и как много она умеет. По иронии судьбы мишенью в тот раз была вовсе не генетическая болезнь, а вирус иммунодефицита человека (ВИЧ). И хотя протокол этого клинического испытания был разработан до того, как технология CRISPR появилась на свет, – в нем использовалась технология нуклеаз с цинковыми пальцами (ZFN), описанная в первой главе, – его успех означает, что с помощью редактирования генома можно будет бороться с пандемией СПИД, а также лечить множество генетических заболеваний.

Вы не поверите, но некоторые люди от природы невосприимчивы к ВИЧ. У этих счастливчиков не хватает тридцати двух “букв” ДНК в гене, кодирующем белок CCR5, расположенный на поверхности белых кровяных телец – тех самых клеток, что образуют костяк иммунной системы. Белки CCR5 – класс элементов на поверхности клетки, на которые заякоривается частица ВИЧ на первых стадиях инфицирования. Описанная специфическая 32-буквенная делеция приводит к тому, что синтез молекулы белка CCR5 обрывается и она не выходит на поверхность клетки. Не имея рядом белка CCR5 для присоединения, ВИЧ не может заражать клетки.

У людей африканского и азиатского происхождения 32-буквенная делеция в гене CCR5 практически не встречается, но она довольно значительно распространена у европейцев; 10–20 % европеоидов несут одну копию мутантного гена, а гомозиготы – те, у кого таких копий две, – полностью невосприимчивы к ВИЧ. Приблизительно от 1 до 2 процентов европеоидов по всему миру (большинство из них из Северо-Восточной Европы) посчастливилось иметь такой признак[201]. Эти люди без полнофункционального CCR5 во всех остальных аспектах абсолютно здоровы и даже имеют меньший риск развития определенных воспалительных заболеваний[202]; нехватка указанного белка не приводит ни к каким побочным эффектам. Фактически единственный известный минус отсутствия белка CCR5 – повышенная восприимчивость к вирусу лихорадки Западного Нила[203].

Неудивительно, что фармацевтическая индустрия направила громадное количество ресурсов на разработку лекарств, разрывающих связь между ВИЧ и CCR5, в надежде защитить людей, не вошедших в число счастливчиков с 32-буквенной делецией в геноме. Но недавние исследования убедительно продемонстрировали, что мы можем достичь того же самого – то есть предотвратить связывание ВИЧ с CCR5, – удалив сам ген CCR5. Множество исследовательских коллективов уже начали попытки сделать это с помощью CRISPR, по крайней мере на клетках в чашках Петри. Но пальма первенства за первое успешное редактирование гена CCR5 у людей принадлежит технологии ZFN, разработанной в калифорнийской компании Sangamo Therapeutics.

Работая вместе с врачами из Пенсильванского университета, исследователи из Sangamo провели клинические испытания препарата для редактирования генома, нокаутирующего ген CCR5[204]. Главной целью первых стадий испытания было выяснить, безопасно ли это средство; ученые хотели узнать, примет ли тело реципиента без серьезных побочных эффектов отредактированные клетки, ДНК которых была модифицирована искусственным путем. Но в конце концов исследование также дало ответ на вопрос, насколько эффективно редактирование генома может обращать вспять ход заболевания.

Все двадцать ВИЧ-положительных пациентов, принимавших участие в исследовании Sangamo, сначала сдали образец крови, из которого были извлечены белые кровяные тельца. Затем эти клетки были отредактированы в пробирке посредством ZFN, который находил и вырезал 155-ю “букву” в гене CCR5. Поскольку репарация разрезанного гена производилась с помощью ненадежного метода соединения концов, изменений, получившихся в результате, было достаточно для того, чтобы инактивировать ген и предотвратить образование функциональных молекул белка CCR5. Затем отредактированным клеткам дали размножиться в лабораторных условиях. Наконец каждому пациенту заново ввели его или ее отредактированные клетки, после чего за состоянием участников эксперимента наблюдали примерно девять месяцев.

Ученые, проводившие испытания, заключили, что вливания клеток иммунной системы с модифицированным CCR5 “безопасны в рамках данного испытания”[205]. Может, это и не самый впечатляющий результат, но тем не менее воодушевляющий признак того, что редактирование генома можно использовать в терапевтических целях на настоящих, живых людях – по крайней мере ex vivo, если клетки выращивать и их геномы редактировать вне организма. А в разделе “Результаты” статьи, описывающей это исследование, скрывались еще более обнадеживающие данные. Врачи обнаружили: вдобавок к тому, что пересаженные клетки долгое время после трансплантации обнаруживались в теле (признак того, что они прижились в организме и стали размножаться), отредактированные клетки задерживали восстановление уровня ВИЧ до прежних значений, когда антиретровирусную терапию на время прерывали. Другими словами, налицо были явные признаки того, что действие ZFN помогло снизить интенсивность инфекции, не таким способом, как обычные лекарства, но благодаря однобуквенным изменениям в геномах пациентов.

Хотя технология ZFN очень бодро стартовала, надо заметить, что CRISPR уже использовали для исследования нескольких возможных способов терапии, направленной на избавление от ВИЧ. Один из подходов включает программирование CRISPR, нацеливающее инструмент на генетический материал от ВИЧ, избавляя клетки пациента от этого вируса, буквально вырезая ДНК инфекционного агента из их геномов. Другой метод лучше всего описывается фразой “оглуши и убей” (shock and kill): в рамках этого подхода используется дезактивированная форма CRISPR – специально для того, чтобы “разбудить” покоящийся вирус: тогда его можно будет атаковать с помощью существующих лекарств.

Стало ясно, что возможности для применения редактирования генома ex vivo в клинике невероятно разнообразны, независимо от того, что именно предстоит лечить – генетические заболевания или вирусные инфекции. Но, конечно, не все болезни коренятся в крови. В случае заболеваний, поражающих “твердые” ткани тела, врачи не могут рассчитывать на методы лечения, требующие извлечения и возвращения поврежденных клеток; аналогичные процедуры в таких случаях будут слишком рискованными и потребуют излишнего инвазивного вмешательства. Чтобы лечить подобные заболевания, нам необходимо доставить CRISPR в тело пациента, к ткани, в которой болезнь проявляется наиболее сильно. И хотя до того момента, когда этот способ лечения можно будет в самом деле предложить пациентам, еще пройдет немало времени, в данной области уже налицо прогресс – в том числе самые невероятные разработки в области медицины из всех, что мне доводилось видеть.

Прежде чем мы сможем лечить пациентов методами редактирования генома in vivo, ученым предстоит решить множество задач, которые редактирование генома ex vivo аккуратно обходит стороной. Врачам нужно понять, как доставить CRISPR в ткани, наиболее затронутые конкретной болезнью. Кроме того, доставку необходимо осуществить таким образом, чтобы не спровоцировать иммунный ответ в телах пациентов. Далее, Cas9 и его направляющая РНК должны быть достаточно стабильными, чтобы дожить в теле до момента окончания редактирования.

Чтобы решить эти задачи, некоторые ученые, работающие с CRISPR, обратились к одному из своих любимых средств доставки – вирусам. Вирусы невероятно искусны в “подкидывании” генетического материала в клетки хозяев – в конце концов, они оттачивали это мастерство миллионы лет. Вирусы хорошо приспособлены к заражению конкретных типов тканей и органов, при этом использование некоторых вирусов стало сравнительно безопасным. Благодаря десятилетиям генной инженерии удалось полностью перевооружить специализированные вирусы таким образом, чтобы они все же могли доставить ДНК в тело – либо в организм в целом, либо к конкретному органу, – но не были способны заразить своих хозяев ничем, кроме терапевтического “полезного груза”, введенного в них исследователями.

Один из векторов – так в генетике называют носителей генетической информации – оказался особенно важным подспорьем для ученых, разрабатывающих варианты редактирования генома in vivo: это безобидный вирус человека, известный как аденоассоциированный вирус (ААВ). ААВ вызывает лишь слабый иммунный ответ, и не известно ни одной болезни человека, которую вызывал бы этот вирус. Этот вирусный вектор легко можно “нагрузить” терапевтическими генами, кодирующими белок Cas9 и направляющую его РНК, – и вирус крайне эффективно доставит свой генетический материал к клеткам хозяина. Более того, вирус можно запрограммировать таким образом, что он не встроит свою ДНК в геном человека навсегда, так, как это делает большинство вирусов. Это свойство помогает избежать вставки неуместной ДНК в геном – именно это затрудняло попытки такой терапии в прошлом.

CRISPR-терапия in vivo

Еще одна удобная особенность ААВ – необычайное многообразие форм. Изолируя различные штаммы вируса и затем комбинируя их в различных соотношениях, ученые собрали семейство ААВ-векторов, чьими мишенями могут быть клетки во множестве различных типов тканей. Один из штаммов ААВ может лучше всего подходить для доставки CRISPR в клетки печени, в то время как другой наиболее эффективно работает в центральной нервной системе, легких, глазах либо сердечных и скелетных мышцах.

Именно в мышцах мы увидели одну из самых первых и наиболее ярких демонстраций того, что CRISPR может облегчить симптомы генетического заболевания in vivo. Хотя действие технологии пока испытали только на мышах, есть все основания полагать, что она будет эффективной и в организме человека – не в последнюю очередь потому, что генетическое заболевание, которое пытались лечить с помощью CRISPR, к сожалению, часто встречается у представителей нашего вида.

Смертельная болезнь, истощающая мышцы, – мышечная дистрофия Дюшенна (МДД) – наиболее распространенный тип мышечной дистрофии в мире; ее наследует примерно 1 из 3600 появившихся на свет мальчиков. У пациентов с МДД при рождении нет симптомов болезни, но она проявляется – и прогрессирует с ошеломляющей скоростью – в возрасте около четырех лет. Дети, пораженные МДД, страдают от тяжелой мышечной дистрофии; к десяти годам они обычно уже прикованы к инвалидной коляске, а к двадцати пяти годам большинство из них умирает от затруднений дыхания и от истощения самой главной мышцы тела – сердечной.

Миодистрофия Дюшенна может быть результатом одной из нескольких мутаций в гене DMD – самом крупном из известных генов человека, который кодирует белок под названием дистрофин. Этот белок помогает мышечным волокнам сокращаться, и нехватка функциональных молекул белка дистрофина – основная проблема в случае пациентов с МДД. У мужчин болезнь проявляется значительно чаще; поскольку ген DMD находится на X-хромосоме, а у мужчин в каждой клетке только одна такая хромосома (ее пара – Y-хромосома, наследуется от отца), единственная мутантная копия гена DMD оставляет организм без единой “здоровой” молекулы дистрофина. Напротив, у женщин в каждой клетке две X-хромосомы, а значит – две копии DMD; до тех пор пока одна из двух копий имеет нормальное строение, она способна предотвращать разрушительные симптомы заболевания. И хотя эти женщины не страдают МДД, они являются носителями заболевания и передадут мутантный ген DMD примерно половине своих потомков мужского пола. (Такой характер наследования делает МДД примером рецессивного заболевания, сцепленного с X-хромосомой.)

Сможет ли CRISPR обратить вспять развитие МДД? Ответ на этот вопрос еще предстоит получить – нам все еще потребуются годы доклинических и клинических исследований, – но если недавние эксперименты на мышах о чем-то говорят, есть основания полагать, что терапия in vivo поможет это сделать. К концу 2015-го не менее четырех независимых лабораторий доставили CRISPR в клетки половозрелых мышей, страдающих от мышечной дистрофии, и показали, что разрушительное течение болезни можно обратить вспять[206]. Поместив генетические инструкции для CRISPR в ААВ-векторы, исследователи восстановили волокна скелетных и сердечных мышц либо введением нагруженных этими инструкциями вирусов в мышцы мышей, либо доставкой вирусов в те же ткани через кровоток. Ученые успешно “включили” здоровые гены дистрофина, и у мышей, на которых подействовали таким образом, сила мышц после терапии значительно увеличилась.

Я посетила доклад об этом исследовании, прочитанный Эриком Олсоном, профессором Юго-Западного медицинского центра Техасского университета, и меня воодушевили новые результаты применения CRISPR-терапии in vivo. Работа, о которой идет речь, вселяет в меня надежду, что однажды станет возможным устранять симптомы или даже полностью излечивать другие генетические заболевания, не только МДД. К примеру, используя вариант CRISPR, запрограммированный на редактирование другого гена, и вариант ААВ, наиболее подходящий для доставки в печень, команда исследователей из МТИ применила редактирование генома, чтобы избавить мышей от генетической мутации, вызывающей тирозинемию[207]. У людей эта болезнь может приводить к накоплению токсичных продуктов обмена и обширному повреждению печени; если ее не лечить, пациенты обычно погибают, не достигнув десятилетнего возраста. В модели болезни на мышах тем не менее CRISPR “починил” поврежденный ген и обратил ход заболевания.

ААВ также доставил CRISPR в мозг взрослых мышей, в их легкие и в клетки сетчатки глаза. Каждый такой эксперимент может дать начало своему виду лечения генетических заболеваний, таких как хорея Гентингтона, муковисцидоз и врожденная слепота. Кстати, первый препарат для генной терапии, разрешенный для коммерческого использования на Западе, включает в себя ААВ-вектор, и, возможно, первое средство для редактирования генома на основе CRISPR, доставляющееся в клетки in vivo, будет действовать так же.

И все же ААВ – лишь один из многих способов доставки, разработанных для перемещения CRISPR в живые клетки целого организма. В одном только мире вирусов существует множество переоснащенных “троянских коней”, доступных для использования, и у каждого из них собственный набор достоинств и недостатков[208]. Один из примеров – аденовирус, который вызывает простуду (и помогает аденоассоциированным вирусам заражать своих хозяев, откуда и проистекает имя последних). После “потрошения” этих вирусов и удаления их генов, ответственных за развитие заболеваний, ученые могут внедрить в них большее количество терапевтической ДНК, чем позволяют ААВ-векторы. Лентивирусы, наиболее известный пример которых – ВИЧ, также удалось обезвредить в лаборатории и превратить в эффективные средства доставки терапевтических средств. Их емкость близка к емкости ААВ, но они способны навсегда встраивать свой генетический материал в ДНК клеток, в которые они вторгаются. Эта особенность удобна для фундаментальных лабораторных исследований, а для проведения терапии in vivo ученые могут “выключить” функцию встраивания.

Кроме того, существуют также стратегии доставки, вообще не задействующие вирусы. Используя новейшие достижения нанотехнологий – то есть технологий, работающих с субмикроскопическими размерами, – исследователи тестируют различные способы применения липидных наночастиц для транспортировки CRISPR по телу. Устойчивые к деградации и легкие в производстве, эти средства доставки имеют еще одно преимущество: они выпускают белок Cas9 и его направляющую РНК строго по дозам. Вирусы (и их груз – CRISPR) могут находиться в клетках долгое время, что, как я объясню дальше, может приводить к проблемам в процессе редактирования, а липидные наночастицы доставляют CRISPR таким образом, что он быстро действует до того, как его разберут “мусороперерабатывающие заводы” клетки.

Помимо разработки препаратов для лечения ряда генетических заболеваний, есть еще одна область биотехнологий, где CRISPR имеет все шансы совершить революцию. А сама эта область тоже вполне революционным образом меняет наш подход к исследованию и лечению одной из самых страшных болезней, известных человечеству, – к лечению рака.

Рак вызывается мутациями в ДНК, часть из которых унаследованы, а часть – накоплены в ходе жизни пациента. Поэтому кажется очевидным, что редактирование генома способно помочь вылечить рак или даже предотвратить его, убрав эти мутации до того, как они нанесут непоправимый вред. Но это не та область, в которую CRISPR вносит наибольший вклад, – по крайней мере, в настоящий момент.

В онкологии CRISPR не служит терапевтическим средством сам по себе, а играет роль инструмента, обеспечивающего работу существующих способов терапии. Он расширяет наше понимание биологии рака, а также ускоряет действие иммунотерапии, которая использует собственную иммунную систему пациента для борьбы со злокачественными опухолями. На обоих указанных фронтах CRISPR демонстрирует свою пригодность и в качестве еще одного оружия – и одного из мощнейших – в растущем арсенале нашей многолетней войны со страшным недугом.

Из всех вкладов CRISPR в медицину этот мне ближе всех. Даже если вы сами не болели раком, велика вероятность, что вы знаете кого-то, чью жизнь он испортил или оборвал. Если говорить о моей семье, то смерть моего отца от меланомы глубоко потрясла нас, и этот опыт привлек мое внимание ко множеству проблем, с которыми люди сталкиваются, когда имеют дело с этой болезнью. Рак – одна из наиболее частых причин смерти в Соединенных Штатах, уступающая только заболеваниям сердца. Хотя повышение эффективности ранней диагностики и лечения существенно повысили показатели выживаемости в последние десятилетия, смерти от рака по-прежнему являются ужасающей частью повседневности. В одних только США за год выявляют более полутора миллионов новых случаев рака, и полмиллиона людей погибает от рака каждый год[209]. Это больше полутора тысяч смертей в день.

Мутации в ДНК, связанные с раком, иногда наследуются; они также могут возникать спонтанно или вызываться употреблением табака или действием других канцерогенов. В последние десять лет или около того мы начали все чаще использовать секвенирование ДНК для создания каталога бесчисленных мутаций, отличающих раковые клетки от здоровых. Логика в том, что если эти мутации можно выявить, то возможно и создание лекарств, останавливающих действие любых генов, запускающих размножение (пролиферацию) клеток, уже прошедших злокачественное перерождение.

Но вот беда: у нас попросту слишком много информации. Действительно важные онкогенные мутации тонут в глубоком море “дополнительных”, которые сами по себе не меняют течение болезни. Вообще, один из характерных признаков рака – повышенная частота, с которой мутации ДНК закрадываются в геном, усложняя выявление именно тех мутаций, которые на самом деле играют важнейшую роль в образовании опухолей.

До CRISPR арсенал инструментов для изучения онкогенных мутаций был довольно ограниченным: ученые могли обнаружить и идентифицировать мутации в образцах живых тканей, взятых у пациентов в ходе биопсии, и изучить небольшое число конкретных мутаций на мышиных моделях. Но сейчас, когда у исследователей появилась возможность точно воспроизвести мутации, вызывающие рак, – по одной или по несколько сразу, причем за небольшую долю того времени, которое требовалось раньше, и гораздо дешевле, чем раньше, – исследования в области онкологии просто не могли не расцвести. Вместо скрупулезного выискивания клеток, мутировавших строго определенным образом (с эффективностью один к миллиону), или разведения мышей необходимых линий (на что требуются годы) ученые могут использовать CRISPR для эффективного внедрения мутаций всего за одно поколение. Эта способность позволяет ученым эффективнее выявлять генетические факторы, из-за которых клетки перестают отвечать на сигналы, в норме регулирующие их рост.

К примеру, в одном из исследований, проведенных Гарвардской медицинской школой, группа ученых под руководством Бенджамина Эберта хотела понять генетические причины острого миелоидного лейкоза[210], рака белых кровяных телец[211]. Запрограммировав CRISPR на редактирование различных генов – для каждого из них использовали свою соответствующую направляющую РНК, – они сумели нокаутировать восемь кандидатных генов. Такое множественное редактирование генома раньше невозможно было представить, но с CRISPR оно стало простым. После редактирования генов в стволовых клетках крови во всех возможных сочетаниях и последующего их возврата в организм живых мышей исследователи некоторое время ждали – смотрели, у кого из животных все-таки разовьется острый лейкоз (вариант обратного применения технологии ex vivo). Затем, сравнивая результаты этого эксперимента с тем, что получалось на мышах, которым определенные гены “выключили” посредством CRISPR, группа Эберта определила точное сочетание мутаций, необходимое и достаточное для развития лейкоза. Подобные опыты бесценны для прогресса в исследовании рака у человека.

Способность редактировать множество генов сразу – одна из ключевых характеристик CRISPR. Процедура настройки CRISPR таким образом, чтобы он научился нацеливаться на новую 20-буквенную последовательность в геноме (в отличие от аналогичной процедуры для технологий, предшествовавших CRISPR), достаточно проста, чтобы ее освоил старшеклассник, – более того, можно даже запрограммировать на ее выполнение компьютер. Сейчас исследователи используют методы вычислительных наук и редактирование генов, чтобы проникнуть в глубины генома в погоне за новыми генами, которые ассоциируются с раком и о которых у ученых пока нет никакой информации.

Технически это непросто сделать, но в конечном счете этот подход со всеобщим наложением (ultimate multiplexing approach) позволяет исследователям редактировать и нокаутировать каждый ген в геноме – и это в рамках единственного эксперимента. Дэвид Сабатини, профессор из МТИ, был одним из первых, кто провел такой полногеномный скрининг нокаутов (genome-wide knockout screen)[212]. Однако группа Сабатини не задавалась вопросом, какие генные мутации вызывают рак (этот вопрос исследовала группа Эберта). Сабатини хотел выявить генные мутации, делающие рак невозможным, – другими словами, определить, существуют ли гены, без мутаций в которых клетки совершенно неспособны стать раковыми. В ходе поистине виртуозной работы команда Сабатини исследовала этот вопрос для четырех различных линий злокачественно переродившихся клеток крови и обнаружила целый пласт новых генов, по-видимому играющих ключевую роль для процветания таких клеток. За счет выявления новых вариантов генетической предрасположенности к лейкозам и лимфомам эти эксперименты указали на новые перспективные мишени для химиотерапии.

Последующие исследования, проведенные в других лабораториях, обнажили слабые места других типов рака, и в числе этих типов колоректальный рак, рак шейки матки, меланома, рак яичников и глиобластома (особенно агрессивный вариант рака мозга). Ученые даже применили полногеномные поиски для определения неизвестных генетических факторов, дающих раковым клеткам страшную способность перемещаться с кровотоком и внедряться в “чужие” ткани, то есть участвовать в процессе под названием “метастазирование”.

Прогресс в нашем понимании рака может быть слишком медленным с точки зрения полезной практической информации и конкретных новых методов лечения, но важность данной работы невозможно переоценить. По мере персонализации медицины ученым и врачам приходится иметь дело со все большим количеством информации, позволяющей отличить рак у одного пациента от рака у другого, и такая информация будет давать подсказки, как подобрать схему лечения, наилучшим образом подходящую для биологии конкретного типа заболевания. Инструменты редактирования генома помогут извлечь пользу из этой информации, выявляя, какие мутации наиболее тесно связаны с раком и какие мутации могут уменьшить или увеличить восприимчивость конкретных раковых клеток к конкретным лекарствам.

Однако есть намеки на то, что редактирование генома способно быть не только инструментом разведки в борьбе человечества с раком, но и оружием. В этом плане его наиболее многообещающая роль – система поддержки формы лечения, на которую в последние годы обращают особенно много внимания: иммунотерапия. Этот революционный метод борьбы с раком отличается от трех “классических”, давно применяемых типов лечения – оперативного вмешательства, лучевой терапии и химиотерапии. В отличие от этих более старых подходов, иммунотерапия рака нацелена на использование иммунной системы самого пациента для выслеживания и поимки опасных клеток. Иммунотерапия проводится в рамках совершенно отличной от предыдущих парадигмы, и ее мишенью служат не опухоли, а тело больного: она дает пациенту силы самостоятельно бороться с раком.

Ключевая идея в основе иммунотерапии рака заключается в том, чтобы настроить иммунную систему человека, и в особенности ее главную силу – Т-клетки. Программируя эти клетки на распознавание молекулярных меток рака, ученые помогают Т-клеткам запускать иммунный ответ для уничтожения раковых клеток. Главная задача – выяснить, каким образом полностью реализовать потенциал Т-клеток.

Одна из многообещающих разработок включает ингибиторы контрольных точек – лекарства, отключающие тормоза, которые обычно ограничивают иммунный ответ на раковые клетки. В рамках другой стратегии создаются генетически модифицированные Т-клетки, которые нацеливаются точно на рак конкретного пациента. Этот процесс, представляющий собой очередной пример терапии ex vivo, известен как адоптивный перенос клеток, и именно в этой разновидности иммунотерапии на сцену выходит редактирование генома.

Основная цель адоптивного переноса клеток, или АПК, – повысить способность Т-клеток находить раковые клетки. Т-клетки наделяют новым геном, кодирующим белок, который называется рецептор и настроен распознавать молекулярные метки рака и наводить атаку на них. Но есть проблема: у Т-клеток уже имеется “природный” ген рецептора, и наличие сразу нескольких подобных генов вызовет беспорядок на молекулярном уровне. В настоящее время ученые могут избежать этого, используя CRISPR для нокаутирования “родного” гена рецептора и таким образом расчищая место под ген рецептора, способный обнаруживать рак. Затем к тем же клеткам можно применить другие варианты редактирования генов, делающие их еще более эффективными.

Представляется вероятным, что редактирование генома сделает шаг вперед и преобразует иммунотерапию рака в более простой в применении метод, когда единственную партию Т-клеток, настроенную на борьбу с конкретным видом рака, можно дать фактически всем пациентам, страдающим от данного заболевания. Сейчас проводятся клинические испытания этого варианта переноса клеток, и трогательная история, датируемая концом 2015 года, дает представление о его потрясающих возможностях. Фактически героиня этой истории Лайла Ричардс – первый человек, чья жизнь была спасена благодаря терапевтическому редактированию генома[213].

В то время Лайле был год, и она страдала от острого лимфобластного лейкоза – именно эта форма рака наиболее часто встречается у детей. Врачам лондонской клиники, где лечилась Лайла, пришлось признать, что у девочки один из наиболее агрессивных видов лейкоза, которые им доводилось видеть. Хотя примерно у 98 % детей с этой болезнью после начала лечения наблюдается ремиссия, состояние Лайлы не улучшалось – несмотря на химиотерапию, пересадку костного мозга и применение препарата, основанного на антителах[214]. Пересадка собственных перенастроенных клеток Лайлы обратно в ее организм тут не годилась: иммунная система девочки была настолько ослаблена лейкозом (в конце концов, этот недуг портит как раз те белые кровяные тельца, что нужны для нормальной работы иммунной системы), что у нее не хватало Т-клеток для извлечения и последующего изменения.

Положение Лайлы выглядело безрадостным, и доктора уже предложили родителям девочки паллиативный уход, чтобы облегчить предсмертные страдания. Но затем, в последнюю минуту, открылась новая возможность лечения.

В той же самой больнице, где проходила лечение Лайла, размещалась лаборатория, редактирующая Т-клетки с помощью TALEN, одной из технологий, предшествовавших CRISPR. Клетки подготавливала французская биотехнологическая компания под названием Cellectis – для использования в клинических испытаниях. Получив разрешения от родителей Лайлы и Cellectis, врачи первыми применили эти непроверенные клетки для лечения живого человека. Подобное разрешается в исключительных обстоятельствах.

Т-клетки, которые получила Лайла, были в некотором смысле особенными. Во-первых, они несли новый ген рецептора, специально настроенного так, чтобы он выявлял любые клетки, содержащие молекулярные метки лейкоза. Во-вторых, геном Т-клеток был отредактирован таким образом, чтобы Т-клетки не запускали иммунный ответ против собственных клеток Лайлы, что было бы неизбежно, не будь они отредактированы (донор и реципиент в данном случае не были иммуносовместимыми). Наконец, в геном Т-клеток были внесены поправки, делавшие их “невидимыми” для местных иммунных клеток, благодаря чему они могли дольше выживать в теле Лайлы.

В течение нескольких недель после введения клеток в организме годовалой девочки произошли чудесные изменения: ее лейкоз начал реагировать на присутствие отредактированных Т-клеток. Лайле снова провели пересадку красного костного мозга, когда ее здоровье улучшилось достаточно, и через несколько месяцев уже наблюдалась стабильная ремиссия. То, что началось как очень рискованное предприятие – тестирование метода лечения, который до этого проверяли только на мышах, – обернулось ошеломительным успехом и весомым свидетельством в пользу применения редактирования генома в новых средствах для иммунотерапии.

Благодаря случаю Лайлы (и некоторым другим) компании по производству средств CRISPR-терапии уже заключили с производителями средств иммунотерапии масштабные договоры о совместных разработках. Editas Medicine получила от Juno Therapeutics исключительные права на разработку препаратов для Т-клеточной терапии, а Intellia Therapeutics объединила усилия с гигантом здравоохранения Novartis, чтобы подобным же образом развивать иммунотерапию рака. Национальные институты здравоохранения одобрили первые в США клинические испытания CRISPR-отредактированных клеток, проведенные учеными из Пенсильванского университета, и в октябре 2016-го группа китайских исследователей из Сычуаньского университета впервые сделала людям инъекции клеток, модифицированных с помощью CRISPR[215]. Эти похвальные начинания помогут открыть доступ к положительным эффектам от редактирования генов тем пациентам, кто в них нуждается.

Я искренне надеюсь, что история Лайлы однажды перестанет быть исключительной и превратится просто в один из множества примеров спасения человеческой жизни в результате прорывов в редактировании генома. Определенно, мы потихоньку движемся к этому светлому будущему. Однако прежде чем мы окажемся там, нам нужно будет решить одну большую проблему редактирования генома. До тех пор пока эта проблема – проблема точности поправок, вносимых CRISPR, – не будет решена, случай Лайлы и подобные ему не смогут из исключений превратиться в правило.

CRISPR – по крайней мере, его изначальная версия, которой обладают прокариоты, – не стопроцентно точный метод разрезания ДНК. Это было очевидно еще при проведении самых первых экспериментов с CRISPR в моей лаборатории.

После определения основной функции CRISPR Мартин приступил к измерению точности разрезающего ДНК фермента Cas9 и его направляющей РНК. Казалось, что этот крошечный самонаводящийся снаряд способен находить и атаковать любые последовательности ДНК, совпадающие с его направляющей РНК, выслеживая их с впечатляющей точностью. Но есть ли пределы его точности? Действительно ли может CRISPR отличать одну двадцатибуквенную последовательность – ту, что подходит его РНК, – от остальных последовательностей, которые, вероятно, отличаются от этой всего на одну-две “буквы” ДНК? Чтобы появилась хоть какая-то надежда на превращение этой бактериальной системы защиты в достаточно безопасное для использования на людях средство редактирования генома, требовалось прежде всего ответить на этот вопрос.

Мартин обнаружил, что, когда он “спустил” CRISPR-систему на последовательности ДНК, в которых некоторые “буквы” были специально заменены на неправильные и больше не подходили РНК, фермент Cas9 в ряде случаев все же разрезал ДНК[216]. Выходило, что CRISPR порой может совершать ошибки и путать одни “буквы” ДНК с другими, – да, точность функции поиска на компьютере явно выше: она не выдаст вам документы со словом “эффект” вместо запрошенных файлов со словом “аффект”.

Позже мы совместно с коллективом ученых из Гарвардского университета под руководством Дэвида Лю повторили эти эксперименты гораздо тщательнее[217]. Мы провели исчерпывающее тестирование различных мутаций ДНК, чтобы определить, какие нецелевые (то есть не совпадающие с направляющей РНК) последовательности достаточно похожи на целевую последовательность (совпадающую с направляющей РНК), чтобы их обнаружил и вырезал CRISPR. Другие лаборатории тоже проводили похожие эксперименты в клетках[218], чтобы показать, каким образом сделанные CRISPR ошибочные надрезы могут привести к перманентным изменениям ДНК в тех местах, куда их не предполагалось вносить.

Само собой, буквально все медицинские препараты обладают какой-либо нецелевой активностью – и до тех пор, пока эти риски перевешивает польза от целевых эффектов, врачи и регуляторы в целом весьма снисходительны. К примеру, антибиотики уничтожают и патогенные, и полезные штаммы бактерий, а препараты для химиотерапии убивают и раковые клетки, и здоровые. Но в случае CRISPR проблема в специфичности: тут речь о разработке лекарства, которое настолько точно нацелено на свою предполагаемую мишень, что изменение положения всего нескольких атомов ослабит взаимодействие в такой степени, что лекарство не будет давать побочных эффектов.

Какая-то нецелевая активность всегда неизбежна (и поэтому в инструкции к любому лекарству есть пункт о побочных эффектах), но если речь идет о редактировании генома, то эти побочные эффекты могут быть особенно опасными. В конце концов, побочные эффекты от лекарства обычно проходят, когда пациент прекращает его прием, – однако в случае редактирования генома любая нецелевая последовательность ДНК, будучи однажды отредактирована, изменится необратимо. Непреднамеренные изменения ДНК не только сохраняются навсегда, но и будут скопированы в каждую клетку-потомка изначальной клетки. И хотя большая часть случайных изменений вряд ли нанесет повреждения клетке, но – если мы правильно понимаем результаты исследований некоторых разновидностей рака и других заболеваний, – даже одной мутации может быть достаточно, чтобы нанести серьезный ущерб организму.

К счастью, нецелевые правки ДНК, внесенные CRISPR (как и другими технологиями редактирования генома), чаще всего весьма предсказуемы, поскольку они появляются только в последовательностях ДНК, наиболее сходных с соответствующей направляющей РНК. Если CRISPR запрограммирован на обнаружение 20-буквенной последовательности в гене X, но ген Y содержит сходную последовательность, отличающуюся лишь на одну “букву”, есть определенная вероятность, что CRISPR внесет правки в оба гена. Чем меньше две последовательности похожи друг на друга, тем ниже вероятность появления нецелевых мутаций.

Исследователи уже начали искать окружные пути, позволяющие обойти эту потенциальную трудность. Во многих лабораториях были написаны компьютерные алгоритмы, автоматически проверяющие состоящий из трех миллиардов “букв” человеческий геном: сколько его участков несут в себе последовательность, близкую к той, которую собираются отредактировать ученые. Если число нецелевых последовательностей ДНК, которые могут быть затронуты, слишком велико, то исследователь при помощи алгоритма сможет выбрать в качестве мишени другой участок (во многих случаях ученые могут редактировать один и тот же ген, выбрав из нескольких близко расположенных последовательностей ДНК). Впрочем, недостаток этого подхода в том, что компьютерный алгоритм – независимо от того, насколько хорошо он написан, – не всегда может успешно предсказать нецелевые правки.

Эти “известные неизвестные” заставили исследователей прибегнуть ко второй стратегии: по умолчанию исходить из того, что не известно вообще ничего. Они полагают, что каждая версия CRISPR неизбежно продемонстрирует нецелевые эффекты и единственный способ обнаружить их – сначала просто провести эксперимент, а затем уже разыскивать новые мутации в местах, где их не должно быть. Вместо предсказаний на основе компьютерных вычислений эта стратегия предполагает простую эмпирическую проверку. Прежде чем выбирать последовательность ДНК для редактирования у пациентов, ученые в рамках этой стратегии проводят исчерпывающую проверку нескольких близких последовательностей ДНК в культуре клеток, определяют, какие из них дадут наименьшее количество нецелевых “срабатываний” CRISPR, и только потом – когда определится “победитель” – приступают к клиническим испытаниям.

Существует и третья стратегия избегания потенциальных нецелевых мутаций, и в ней ученые уже добились значительных успехов: настройка CRISPR таким образом, чтобы он четко отличал целевую ДНК от других. К примеру, удалось успешно расширить последовательность нуклеотидов ДНК, которую CRISPR требуется распознать, уменьшив вероятность несовпадений, – нечто подобное вы делаете, удлиняя пароль, чтобы снизить вероятность, что кто-нибудь его подберет. За счет одного лишь изменения оригинальной версии белка Cas9 в нескольких различных местах – замены одних аминокислот на другие – исследователи, в том числе Кит Джоунг из Гарвардской медицинской школы и Фэн Чжан из МТИ, разработали высокоточные версии CRISPR[219], менее склонные к нецелевому редактированию генома, чем версия той же системы, созданная самой природой.

Наконец, размер введенной дозы CRISPR влияет на вероятность появления в геноме непредвиденных мутаций. В целом чем больше молекул Cas9 и направляющей РНК получает клетка и чем дольше они в ней находятся, тем выше вероятность, что CRISPR обнаружит близкие, но все же иные последовательности и внесет нецелевые правки. Фокус в том, чтобы ввести в клетки ровно столько CRISPR, чтобы он отредактировал только нужные фрагменты ДНК, и не более того.

Оттачивая этот метод в лаборатории, исследователи продолжают работу, дабы убедиться, что CRISPR можно безопасно вводить пациентам. Если достигнутое ими что-нибудь значит, то пройдет не слишком много времени, прежде чем точность этой молекулярной машины станет приемлемой для ее применения в клинике – а не только в лаборатории.

Технология CRISPR появилась всего несколько лет назад, но уже сейчас непросто найти заболевание, которое не предлагали лечить с ее помощью. Помимо рака, ВИЧ-инфекции и уже упомянутых генетических заболеваний, быстрый поиск по опубликованным научным статьям выдает непрерывно растущий список болезней, потенциальные методы избавления от которых были разработаны с помощью CRISPR: ахондроплазия (карликовость), хронический гранулематоз, болезнь Альцгеймера, врожденная тугоухость, боковой амиотрофический склероз (БАС), высокое содержание холестерина в крови, диабет, болезнь Тея – Сакса, заболевания кожи, синдром ломкой X-хромосомы и даже бесплодие. Практически во всех случаях, когда конкретную мутацию или дефектную последовательность ДНК можно связать с патологией, CRISPR в принципе может обратить мутацию или заменить поврежденный ген на “здоровую” последовательность нуклеотидов.

Благодаря легкости, с которой CRISPR находит и “чинит” любую последовательность ДНК, этот инструмент часто называют “прорывом, благодаря которому болезни исчезнут с лица Земли”. Но не все так просто. Существует множество недугов – от аутизма до болезней сердца, – у которых нет четко выраженной генетической подоплеки или же они вызваны сложным сочетанием генетических факторов и условий окружающей среды. В этих случаях редактирование генома не слишком поможет. Кроме того, даже если редактирование генома способно “починить” ДНК в культурах клеток человека, пройдут годы, прежде чем его эффективность (или неэффективность) будет показана в клинике. А несколько успешных клинических испытаний (в комбинации с иммунотерапией рака и в лечении ВИЧ) еще не гарантируют, что на этом пути будут достигнуты и дальнейшие успехи.

Более ранние технологии генной инженерии, включая генную терапию и РНК-интерференцию, тоже (как впоследствии CRISPR) превозносились как знаковые прорывы, которым суждено полностью преобразить медицину, – однако сотни неудачных клинических испытаний заметно охладили этот энтузиазм. Я не говорю, что нас ждет аналогичный “холодный душ” и в случае редактирования генома, я лишь напоминаю, что важно отличать ажиотаж от реалистичных ожиданий, методических исследований и тщательно проведенных клинических испытаний. Только при этом условии мы будем уверены, что первая волна средств CRISPR-терапии имеет максимальные шансы на успех и минимальный риск опасных побочных эффектов.

Когда я пишу эти строки, эти средства, основанные на редактировании генома, развиваются с небывалой скоростью – и это касается как фундаментальных исследований, так и коммерческих разработок. Новые работы появляются c частотой примерно пять публикаций в день, а инвесторы уже вложили существенно больше миллиарда долларов в разнообразные стартапы, связанные с основанными на CRISPR биотехнологическими инструментами и терапевтическими средствами.

Я невероятно радуюсь любым успехам в области CRISPR (а они феноменальны) и каждый раз настроена оптимистично, когда узнаю об очередном таком успехе, – за исключением лишь одной области применения этой технологии. Я считаю, что нам следует воздержаться от использования CRISPR для необратимого редактирования геномов будущих поколений людей – по крайней мере до тех пор, пока мы не обдумаем как следует все проблемы, которые могут возникнуть при редактировании генома клеток зародышевого пути. Пока у нас не будет четкого понимания всех проблем безопасности и этических проблем, пока мы не позволим присоединиться к обсуждению этих проблем максимальному числу заинтересованных лиц, ученым лучше не трогать клетки зародышевого пути. Но на самом деле еще большой вопрос, достигнем ли мы вообще когда-нибудь достаточного морального и интеллектуального уровня, чтобы управлять судьбой собственного генофонда, – и я думаю над этим вопросом с тех пор, как начала понимать, на что способен CRISPR. По этой и по ряду других причин я провожу четкую границу между процедурами, описанными в этой главе, – и тем, что может быть использовано в редактировании геномов клеток зародышевого пути. Стоит подумать дважды, прежде чем пересекать эту границу. А потом подумать еще раз.

Весной 2014 года, спустя примерно год после моей первой встречи в Давосе, я ощутила первые признаки того, что скоро оформилось в международную кампанию по определению будущего технологии CRISPR.

Прошло меньше двух лет с момента публикации нашей статьи в Science, в которой описывалось, каким образом CRISPR можно применять для редактирования генов, однако весть о появлении этой технологии уже распространилась по всему научному сообществу и даже вышла за его пределы. Всеобщий энтузиазм по поводу CRISPR постоянно усиливался благодаря появлению в СМИ все новых оптимистических публикаций, посвященных исследованиям по редактированию генома. Но по мере того как эти исследования набирали ход, а число их все увеличивалось, многие ученые старались сосредоточиться на лабораторной работе – заниматься совершенствованием методов редактирования генома и находить этим методам новые применения – и не оказаться вовлеченными в общественное обсуждение проблемы.

Подобно этим моим коллегам я продолжала исследовать и развивать CRISPR в своей лаборатории в Беркли, уделяя все больше времени тому, чтобы лучше разобраться в проблемах, связанных с терапевтическим редактированием генома человека. Подобная же работа шла в бесчисленных научных лабораториях и начиналась в нескольких биотехнологических стартапах. Было здорово ощущать себя частью масштабной коллективной попытки раскрыть механизмы работы технологии CRISPR и высвободить ее огромный потенциал управления генетической информацией внутри клеток. Большую часть времени я ощущала огромный энтузиазм в отношении CRISPR и надежду, что наши старания дадут начало полезным разработкам в самых различных сферах деятельности – от сельского хозяйства до медицины. Однако порой я вдруг обнаруживала, что лежу без сна среди ночи и размышляю, что случится, если люди за пределами академической науки тоже всерьез заинтересуются этой бурно развивающейся областью исследований – и не обязательно по благородным причинам.

Примерно в тот же период соавтор этой книги, Сэм Стернберг, в то время работавший над своей диссертацией под моим научным руководством, получил электронное письмо от некоей предпринимательницы – назовем ее Кристина. Кристина интересовалась, не захочет ли Сэм стать частью коллектива ее новой компании, имеющей какое-то отношение к CRISPR; она просила о встрече, чтобы ознакомить Сэма со своей бизнес-идеей.

На первый взгляд в этом приглашении Кристины не было ничего удивительного. Учитывая скорость, с которой развивалась и распространялась технология CRISPR, новые компании, разработки и лицензии, связанные с редактированием генома, появлялись едва ли не каждую неделю. Но, как скоро выяснил Сэм, бизнес Кристины отличался от остальных – и при этом сильно.

Сэм понятия не имел, чего ему ожидать, когда он встретился с Кристиной за обедом в дорогом мексиканском ресторане рядом с кампусом, и его явно застал врасплох предмет их разговора. Письмо Кристины было очень обтекаемым, но при личной встрече она открыто объяснила, каким образом хочет использовать технологию, которую Сэм помогал разработать.

За коктейлями Кристина воодушевленно рассказывала Сэму, что надеется однажды предложить какой-нибудь счастливой паре первого здорового “CRISPR-младенца”. Этот младенец, объяснила она, будет получен в лаборатории методом экстракорпорального оплодотворения и будет иметь особые характеристики – кастомизированные мутации, внедренные в ДНК с помощью CRISPR, чтобы исключить любую возможность генетических заболеваний. Пытаясь рекрутировать Сэма в качестве исследователя, Кристина заверила его, что ее компания планирует внедрять генетические модификации в ДНК человеческих эмбрионов исключительно в профилактических целях; и если Сэм согласится с ней работать, он может быть уверен: ему придется иметь дело исключительно с такими мутациями, которые совершенно необходимы для гарантии стопроцентного здоровья еще не рожденного ребенка.

Кристине не надо было объяснять Сэму, как будет работать эта технология и насколько легко будет ей воспользоваться. Чтобы отредактировать геном человека таким образом, как предлагала Кристина, врачу было бы достаточно тех методов, которые на тот момент были уже хорошо известны: создание эмбриона in vitro из яйцеклеток и сперматозоидов будущих родителей, введение заранее запрограммированных молекул CRISPR для редактирования генома эмбриона и имплантация эмбриона с отредактированной ДНК в матку матери. Об остальном позаботится природа.

Еще до десерта Сэм извинился и сказал, что ему нужно идти; ему было довольно услышанного. Несмотря на заверения Кристины о “профилактическом характере” процедур, этот разговор смутил его. Сэм чувствовал, что Кристина была просто одержима мощью и возможностями CRISPR. Как он сказал мне позднее, он заметил в ее глазах “прометеев блеск” и заподозрил, что она размышляет не только о “хороших” правках ДНК с благой целью, но у нее в планах есть и другие, более смелые генетические улучшения.

Перспектива редактирования генома человеческих эмбрионов

Если бы этот разговор состоялся всего несколькими годами ранее, то мы с Сэмом отнеслись бы к предложению Кристины как к чистой фантазии. Да, генетически модифицированные человеческие существа хорошо смотрятся в научной фантастике и дают повод для бесконечных философских и этических дискуссий о возможности эволюции человека, направляемой им самим. Но до тех пор пока не появилось технической возможности управлять геномом Homo sapiens так же просто, как геномом лабораторной бактерии вроде E. coli, практически не было и шансов, что кто-то вдруг возьмется претворить в жизнь такие проекты в духе Франкенштейна.

Теперь же смеяться над подобными идеями не получалось. Ведь благодаря CRISPR манипулировать человеческим геномом действительно стало так же просто, как геномом бактерии. К примеру, всего за месяц до встречи Сэма с Кристиной родились первые обезьяны, чьи геномы были переписаны с использованием точного редактирования ДНК, – а отсюда уже рукой подать до эволюции Homo sapiens, направляемой CRISPR[220]. В свете этого эксперимента на приматах и предшествовавших экспериментов на множестве других видов, ДНК которых была модифицирована с помощью CRISPR – от червей до коз, – включение человека в растущий список видов, представители которых когда-либо подвергались редактированию генома, стало казаться лишь вопросом времени.

Я хорошо осознавала существование такой возможности и имела по этому поводу самые дурные предчувствия. Хотя я не отрицала все положительные изменения, которые принесла в наш мир технология CRISPR, – возможность лучше понять генетику человека, производить больше пищи, притом за счет устойчивого развития, лечить жертв тяжелых генетических заболеваний, – меня все больше тревожили другие возможные применения CRISPR, которые почти наверняка можно претворить в жизнь. Выходит, наше открытие сделало редактирование генома слишком простым? Не слишком ли быстро ученые осваивали новые области знаний, не задумываясь, уместны ли их эксперименты и каковы будут последствия этих экспериментов? Есть ли вероятность злоупотребления CRISPR, особенно в том, что касается генома человека?

А особенно меня тревожило, что, быть может, ученые вскоре попытаются внести в человеческий геном наследуемые правки – не для того, чтобы вылечить заболевание у конкретного пациента, а с тем, чтобы исключить саму возможность болезни у еще не рожденного и даже не зачатого ребенка. В конце концов, именно в этой области Кристина предлагала поработать Сэму. И пусть Сэм не согласился, кто возьмется утверждать, что не согласится кто-нибудь другой?

Вероятность такого события угнетала меня. У человечества никогда раньше не было инструмента, подобного CRISPR, а у этой технологии есть потенциал перекроить не только геномы ныне живущих людей, но и геномы будущих поколений, создав общий палимпсест, с которого можно стереть и на котором можно написать заново любой фрагмент генетического кода в зависимости от нужд поколения, в котором выполняется редактирование. Более того, такие встречи, как встреча Сэма с Кристиной, еще больше убеждали меня, что не все разделяют мое беспокойство по поводу перспектив переписывания ДНК будущих поколений без полного понимания возможных последствий. Наверняка есть кто-нибудь, кто собирается воздействовать CRISPR на эмбрионы человека – возможно, ради устранения серповидноклеточной анемии в отдельно взятой семье, а возможно, и ради немедицинских улучшений, – и это вполне может изменить ход истории нашего вида в дальней перспективе, притом непредсказуемым образом.

Я начинала осознавать, что вопрос не в том, будут ли применены методы редактирования генома к ДНК клеток зародышевого пути человека, а в том, когда и как это произойдет[221]. Также мне становилось очевидно, что, если я хочу повлиять на то, когда и как CRISPR используют для изменения генетики будущих людей, мне прежде всего необходимо четко понять, насколько более продвинутым по отношению к предыдущим достижениям науки будет редактирование генома клеток зародышевого пути. Какие вмешательства в зародышевую линию человека уже имели место и к каким последствиям они привели? Каковы были цели подобных вмешательств? И что мои предшественники – а конкретно светила науки прошлых поколений – имеют сказать по поводу манипуляций с ДНК зародышевого пути, вероятность которых так меня тревожила?

Не то чтобы споры по поводу модификации клеток зародышевого пути человека начались только с появлением CRISPR. Это далеко не так. Еще в те времена, когда появлялись первые намеки на редактирование генома, специалисты по репродуктивной медицине уже отбирали конкретные эмбрионы для внедрения их в матку пациентки – иными словами, решали, какие гены будут переданы следующим поколениям. И еще раньше практикующие специалисты и наблюдатели выражали тревогу по поводу того, что люди однажды могут стать основными авторами собственного набора генов.

Как только была доказана роль ДНК в кодировании генетической информации, исследователи начали рассматривать возможность рационального изменения генетического кода, хотя инструментов для таких манипуляций еще не существовало. Маршалл Ниренберг, один из биологов, расшифровавших в 1960-х годах генетический код (и удостоенный за это Нобелевской премии по физиологии и медицине), писал в 1967-м о том, что у человека

есть власть определять свою собственную генетическую судьбу. Эта власть может быть использована мудро или же легкомысленно, во благо человечества или во вред ему[222].

Уверенный в том, что подобная власть не должна находиться под контролем одних лишь ученых, Ниренберг продолжал:

Окончательные решения по поводу приложения этого знания должно принимать общество, и только хорошо информированное общество способно принимать эти решения осмысленно.

Не все ученые были склонны к такому самоограничению. Всего несколькими годами позже в статье для American Scientist Роберт Синсхаймер, в те годы профессор биофизики в Калтехе, описывал генетическую модификацию человека как

потенциально одну из наиболее важных концепций, появившихся за всю историю человечества… Впервые живое существо понимает свое происхождение и может направлять свое будущее[223].

Синсхаймер высмеивал критиков, считавших, что генная инженерия – это просто современная версия бесплодной мечты о совершенном человечестве:

Человек, и это абсолютно очевидно, – слишком несовершенное создание, полное изъянов. Учитывая ход его эволюции, вряд ли могло получиться иначе… А сейчас перед нами мелькает перспектива другого пути – шанс ослабить внутренние ограничения и непосредственно исправить изъяны собственного устройства, чтобы идти вперед к совершенству, далеко за пределы нашего сегодняшнего видения, этого примечательного продукта эволюции длиной в два миллиона лет.

В течение двадцати лет с момента публикации эссе Синсхаймера ученые стремительно наносили на карту путь к совершенству, который ему в конце 1960-х виделся лишь в самых общих чертах. К началу 1990-х уже начались испытания генной терапии на пациентах-людях, и, хотя было очевидно, что точные манипуляции ДНК клеток зародышевого пути человека пока недоступны – даже при наличии сравнительно продвинутой технологии, – исследователи все равно не переставали страстно мечтать о такой возможности. Френч Андерсон, проводивший эти первые клинические испытания, открыто высказался об опасностях и этических неоднозначностях генной терапии в целях улучшения человека независимо от места ее приложения – будь то соматические клетки или клетки зародышевого пути. Помимо всего прочего, он задался вопросом, все ли ученые способны ответственно обращаться с этой новой силой, или найдется исследователь, который

будет скорее подобен маленькому мальчику, которому нравится разбирать механизмы. Ему хватает ума разобрать часы и, вероятно, даже собрать их заново, так чтобы они тикали. Но что, если он попробует “усовершенствовать” их? Например, поставить стрелки покрупнее, чтобы проще было разглядеть, который час. Но если эти стрелки будут слишком тяжелы для механизма, то они будут двигаться слишком медленно, неравномерно или вовсе остановятся… Попытки этого мальчика внести улучшения в часы только навредят им[224].

Несмотря на предупреждения ведущих ученых, таких как Андерсон, идея изменения или улучшения человеческих генов продолжала притягивать некоторых биологов в последнем десятилетии XX века. Воодушевление этих женщин и мужчин поддерживалось текущими исследованиями и разработками в генной терапии, равно как и прорывными достижениями в трех больших областях: исследованиях репродуктивной функции, экспериментах на животных и генетике человека.

В то время любому ученому, мечтающему об “улучшении” генофонда человечества, не нужно было далеко ходить за вдохновением: источником этого вдохновения были успехи в лечении бесплодия. В 1978 году родилась Луиза Браун, первый “ребенок из пробирки”, и это стало важнейшей вехой в развитии репродуктивной биологии: было доказано, что размножение человека можно свести к простым лабораторным методикам – смешиванию очищенных яйцеклеток и сперматозоидов в чашке Петри, инкубации зиготы и получившегося из нее многоклеточного эмбриона и имплантации этого эмбриона в матку женщины. Экстракорпоральное оплодотворение (ЭКО) дало возможность людям с различными формами бесплодия иметь детей, биологически родственных им, и в то же время открыло путь для других манипуляций, которые когда-нибудь можно будет провести с эмбрионами на ранних стадиях развития, пока их выращивают в лабораторных условиях.

В конце концов, если человеческий организм можно создать в чашке Петри, в том же стерильном окружении, где были разработаны инструменты редактирования генома, казалось вполне правдоподобным, что две этих разработки когда-нибудь удастся совместить. Исследования способов лечения бесплодия помогли создать специфическую процедуру, которая впоследствии станет аргументом во всех дискуссиях о допустимости манипуляций с геномами клеток зародышевого пути человека.

Эксперименты на животных также воодушевляли ученых, считавших, что до редактирования генома клеток зародышевого пути человека рукой подать. В последние несколько десятилетий XX века исследователи разрабатывали все более замысловатые способы проектирования геномов животных – от клонирования до добавления генов с помощью вирусных векторов и самых первых вариантов прицельного редактирования ДНК. К 1990-м годам создание новых линий мышей, моделирующих заболевания человека, путем модификации клеток зародышевого пути стало вполне обычным делом. И, хотя ту же самую методику нельзя было применить к людям, она подготовила почву для таких инструментов, как ZFN и CRISPR, превративших изначально грубый метод редактирования генома клеток зародышевого пути у мышей в четкую, отточенную и хорошо оптимизированную методику, гораздо лучше подходящую для применения на людях.

В том же десятилетии мир стал свидетелем первого успешного клонирования млекопитающего: овечка Долли родилась в 1996 году и стала всемирной знаменитостью. Йэн Уилмут и его коллеги в Шотландии перенесли ядро (и всю содержащуюся в нем ДНК) соматической клетки, взятой у взрослой овцы, в яйцеклетку реципиента, собственное ядро из которой заранее извлекли, стимулировали гибридную клетку к делению и затем внедрили образовавшийся эмбрион в матку суррогатной матери; геном получившегося ягненка был точной копией генома донора.

ЭКО и клонирование были существенными прорывами, которые помогли заложить основу технологии модификации генома клеток зародышевого пути. Эти прорывы не только показали, что ученые способны создать жизнеспособный эмбрион в лаборатории, смешав яйцеклетки и сперматозоиды, но и продемонстрировали, что эмбрионы можно собрать с использованием генетической информации всего лишь одного животного[225]. Это достижение заставило законодателей по всему миру зашевелиться и приступить к разработке законов, запрещающих репродуктивное клонирование человека. Но клонирование млекопитающих оказалось настолько сложным в техническом плане, что лишь очень немногие лаборатории в мире попробовали его осуществить. Таким образом, в отличие от CRISPR, технология переноса ядер соматических клеток успешно ограничивала собственное применение тем, что требовала высокой квалификации от ученых, которым предстояло проводить соответствующие манипуляции.

Наконец, энтузиазм по поводу внесения изменений в ДНК еще не родившегося человека был естественным следствием прорывов в генетике человека, в особенности секвенирования человеческого генома. Невероятный прогресс привел многих к мысли, что генетики скоро смогут найти причины заболеваний, ранее совершенно загадочных, а также генетическую подоплеку гораздо более широкого спектра фенотипических признаков человека, чем были известно ранее, – от чисто физических до когнитивных. Когда мы до конца поймем, какие генетические факторы определяют здоровье и возможности человека, мы сможем отбирать – или даже проектировать – эмбрионы с набором генов, отличным от родительского. Лучшим, чем родительский.

По крайней мере, на это надеялись некоторые ученые. А я, например, была настроена скептически по отношению к тому слепому оптимизму, свидетелем которого была в эпоху накануне появления CRISPR, – с бурными проявлениями восторга по поводу возможностей перестройки зародышевого пути, но без должного внимания к ее возможным последствиям. Действительно ли подобные манипуляции позволят без вреда для здоровья всем потомкам конкретного человека избавиться от генетического заболевания, или они могут дать побочные эффекты, которые мы не в состоянии предугадать? Даже эксперименты, которые могли бы дать ответы на эти вопросы, казались совершенно немыслимыми. И пусть изменение генома клеток зародышевого пути не будет иметь вредных последствий – смогут ли врачи и их пациенты ограничиться строго необходимыми медицинскими процедурами или захотят провести и необязательные модификации? Хотя в то время я не слишком обстоятельно размышляла над этими вопросами, они тем не менее возникали у меня всякий раз, когда речь заходила о клетках зародышевого пути.

В 1998-м растущее восхищение – или напряжение, в зависимости от того, по какую сторону баррикад вы находитесь, – по поводу модификации клеток зародышевого пути побудило двух ученых, Джона Кэмпбелла и Грегори Стока, организовать один из первых симпозиумов по этой теме в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе. Главным событием симпозиума, получившего название Engineering the Human Germline (“Проектирование человеческих клеток зародышевого пути”), стали доклады ученых, находившихся на переднем крае в этой области исследований, – в частности, Френча Андерсона, пионера генной терапии, Марио Капекки, одного из отцов ранних вариантов редактирования генов, и Джеймса Уотсона, сооткрывателя структуры ДНК. Я не участвовала в конференции – в то время мои исследования были сконцентрированы на том, каким образом миниатюрные молекулы РНК сворачиваются в сложные трехмерные структуры, – однако когда я, уже через несколько лет, слушала в записи и читала эти доклады, то убедилась, что не одну меня беспокоят эксперименты с геномами клеток зародышевого пути человека – и что в моем беспокойстве нет абсолютно ничего нового[226].

Участники конференции в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе пытались разобраться со многими тревожными вопросами о модификации клеток зародышевого пути человека, и эти вопросы: согласие, неравенство, доступ и непредвиденные последствия для будущих поколений – вновь всплыли на поверхность в последние годы с появлением CRISPR. Каждому неравнодушному ученому сегодня приходится искать ответ на вопрос: не нарушит ли он законы природы или божественные законы, изменив клетки зародышевого пути человека? И не будут ли подобные манипуляции расценены как евгеника – порочная система взглядов и подходов, распространенная в начале XX века, но ныне подвергутая обстоятельной и жесткой критике со стороны ортодоксальной науки. Но в дополнение к этим важным этическим вопросам (а может, и несмотря на них) участники симпозиума 1998 года были, очевидно, воодушевлены возможностью использовать последние достижения науки для улучшения человечества. Панельные дискуссии были посвящены уничтожению заболеваний, профилактике серьезных генетических дефектов и общей оптимизации хода эволюции – которая, по мнению участников, может иногда быть настолько жестокой, что требует нашего вмешательства.

Доклад, выпущенный несколько лет назад Американской ассоциацией содействия развитию науки и посвященный наследуемым генетическим модификациям человека, был значительно более сдержанным[227]. Рабочая группа пришла к заключению, что вмешательства в геном клеток зародышевого пути (пока) невозможно осуществить с полной гарантией безопасности или ответственности, что связанные с ними этические проблемы серьезны, а риск использования редактирования генома клеток зародышевого пути человека для улучшения индивидов – особенно серьезен. Несколькими годами позже Центр общественной политики в отношении генетики (Genetics and Public Policy Center) пришел к сходным выводам, но в то же время признал, что потребительский спрос на определенные аспекты применения этой техники мог бы поменяться – если бы ученые разработали практически применимые методики[228].

Вдобавок к этим конференциям и докладам произошло и еще одно событие, ставшее поводом к дискуссии (и разногласиям): появилась медицинская процедура, позволяющая пациентам выбирать, пусть и в ограниченном диапазоне, какой именно генетический материал унаследуют их дети.

Как только технология экстракорпорального оплодотворения превратила акт зачатия в сравнительно простую лабораторную процедуру, появилась возможность подвергнуть человеческий эмбрион на ранних стадиях развития – так же как и любой другой биоматериал – анализу на последовательность его ДНК. Поскольку каждый из родителей передает ребенку только 50 % своей ДНК, то конкретный набор хромосом и генов, которые наследует ребенок, фактически случаен. Но когда стало возможным создавать множество эмбрионов в лаборатории, используя множество яйцеклеток и сперматозоидов, это изменило всю картину. Вместо того чтобы имплантировать в матку будущей матери случайным образом выбранные эмбрионы, специалисты по ЭКО могли теперь сначала проанализировать состав ДНК кандидатов на имплантацию, дабы убедиться, что отобраны эмбрионы, имеющие наиболее здоровые геномы. Эта практика получила название предимплантационной генетической диагностики (ПГД).

Конечно, пренатальная генетическая диагностика выполняется и для эмбрионов, зачатых естественным путем, – это сегодня повсеместная практика. Амниоцентез или просто анализ образца крови, взятого у матери (и содержащего следовые количества ДНК плода), может вскрыть хромосомные аномалии, такие как синдром Дауна, или даже конкретные генные мутации, приводящие к заболеваниям. Но и сегодня возникают важные этические вопросы, которые приходится рассматривать в связи с ПГД. В конце концов, если пренатальная генетическая диагностика покажет, что конкретный плод имеет серьезные генетические дефекты, то из этой ситуации, как правило, есть два исхода – продолжить беременность или прервать ее. С учетом споров вокруг избирательного прерывания беременности неудивительно, что применение ПГ-диагностики тоже стало причиной жарких дискуссий.

Предимплантационная генетическая диагностика пытается избегнуть сложных вопросов, подобных этому, отбирая эмбрионы еще до начала беременности (хотя для нее нужно провести экстракорпоральное оплодотворение, что довольно дорого и предполагает инвазивную процедуру извлечения яйцеклетки из организма матери). У ПГД пока есть ряд технических сложностей, но в целом она эффективно предотвращает появление детей с определенными генетическими нарушениями и стала привлекательным вариантом для будущих родителей, которые рассматривают возможность ЭКО. Однако несмотря на то, что этой технологии удалось уйти от этической проблемы, связанной с абортом, у нее есть собственное и серьезное этическое обременение.

В своих самых ранних воплощениях ПГД применялась для выбора пола эмбриона. Изначально это делалось по медицинским показаниям: определенных заболеваний, связанных с мутациями в генах на X-хромосоме (так называемых X-хромосомных болезней), можно было избежать, если оставлять зародыши только женского пола. Но несмотря на благие намерения ученых, многие наблюдатели и законодатели просто не могли свыкнуться с мыслью, что ПГД позволяет пациентам самим решать, завести им девочку или мальчика, – особенно учитывая, что во многих странах дочери менее желанны, чем сыновья. В настоящий момент использование предимплантационной генетической диагностики для выбора пола эмбриона незаконно во многих странах (включая Индию и Китай) или разрешено только для избежания сцепленных с X-хромосомой заболеваний (как в Великобритании). Однако оно законно в Соединенных Штатах, где множество клиник по лечению бесплодия предлагают эту услугу в том числе и тем родителям, у которых нет серьезных медицинских показаний для того, чтобы выбирать пол ребенка.

ПГД использовали и для других неоднозначных целей, таких как создание так называемых запасных сиблингов, которым с момента имплантации суждено служить донорами органов или клеток для своих братьев и сестер. А в будущем родителям, возможно, предложат выбрать признаки, затрагивающие не только восприимчивость к болезням и пол, но и поведение, физические способности или даже интеллект. Список известных нам ассоциаций конкретных вариантов генов с разнообразными признаками продолжает расти, и по мере того как технологии ПГД совершенствуются, становится все менее понятно: что удержит клинику или врача, занимающегося лечением бесплодия, от того, чтобы сообщить эту информацию пациентам? Почему не предложить пациенту еще больший выбор вариантов для отбора “лучших” эмбрионов?

Возможности этой разновидности генетического тестирования могут быть совершенно невероятными, при том что это даже не самая новая и не самая продвинутая из вспомогательных репродуктивных технологий. Пальма первенства тут уходит митохондриальной заместительной терапии, которую в прессе часто называют “ЭКО с тремя родителями”. Необычно, что каждый ребенок, родившийся в результате этой процедуры, несет в себе ДНК не двух родителей, а трех: одного отца и двух матерей. Этот вид терапии – включающий перенос ядра одной яйцеклетки в другую, ядро которой было предварительно удалено, – нацелен на избавление еще не рожденных детей от группы генетических недугов, которых невозможно избежать другими методами, – митохондриальных заболеваний. Вторая яйцеклетка не содержит ядра, но имеет митохондрии, несущие небольшую часть человеческого генома, поэтому описанная процедура приводит к появлению индивида, генетически родственного трем родителям: матери, чей геном получает ребенок с ядром яйцеклетки (и она же, скорее всего, будет этого ребенка вынашивать), матери, в чью яйцеклетку пересадили это ядро (в этой клетке содержится небольшой, но крайне важный набор генов собственно митохондрий), и отца, который стал донором сперматозоида и, следовательно, половины ядерного генома.

Уже известно, что митохондриальная заместительная терапия работает на мышах и нечеловекообразных обезьянах, а кроме того, эту процедуру проводили на яйцеклетках человека. В полной безопасности этой технологии все еще есть сомнения, однако ее клиническое применение уже маячит на горизонте. Совет по надзору за исследованиями в области репродукции и лечением бесплодия Великобритании представил митохондриальную заместительную терапию в докладе 2014 года, а после одобрения ее парламентом в 2015-м Соединенное Королевство стало первым в мире государством, одобрившим законы, регулирующие клиническое применение этой технологии[229]. США, скорее всего, несильно отстанут; в начале 2016 года Национальная академия наук, Национальная инженерная академия и Национальная академия медицины США сходным образом рекомендовали Управлению по контролю за продуктами питания и лекарственными средствами США одобрить применение ЭКО с тремя родителями в будущем[230].

Процедуры, подобные ПГД и ЭКО с тремя родителями, показывают, что научное и медицинское сообщества хотят раздвинуть границы этически допустимого ради того, чтобы у людей могли рождаться здоровые дети. Даже ЭКО с тремя родителями, которое с технической точки зрения в некоторых аспектах очень близко к репродуктивному клонированию, вошло в нашу жизнь после сравнительно небольшой философской и законодательной дискуссии (если сравнивать с полемикой о ПГД). Хотя ЭКО с тремя родителями тоже необратимо меняет геном человека (а с ним и клетки зародышевого пути) таким образом, что эти изменения отныне навсегда будут передаваться будущим поколениям. Регуляторы тем не менее дали зеленый свет этой вспомогательной репродуктивной технологии.

Читая об этом, мне приходилось спрашивать себя: неужели законодатели (и ученые) так же, без тени сомнений, разрешат (и будут) использовать CRISPR для внесения наследуемых изменений в геном человека – при том что возможности этого метода гораздо шире, чем у более ранних технологий (ПГД и так далее)? Когда специалисты по репродуктивной медицине поймут, что у них появилась возможность наделять геномы эмбрионов гораздо, гораздо более широким набором вариантов генов, чем могут предоставить любые родители, – остановятся ли они, чтобы обдумать возможные последствия? Или будут искать все новые применения для новообретенной силы, бездумно работая генетическим инструментом, который невозможно полностью контролировать, если использовать его без полного представления о его возможностях?

Я не привыкла задавать себе подобные вопросы в повседневной жизни профессора и биохимика. Хотя я помню, что в заявке на вакансию писала, что интересуюсь научной коммуникацией, на самом деле мне гораздо больше нравилось работать в лаборатории и проводить новые эксперименты, нежели размышлять о теоретических, отдаленных перспективах моих исследований и о том, как объяснить их неспециалистам. И чем больше я погружалась в свою область исследований, тем больше времени я проводила в разговорах со специалистами и меньше – с людьми из других сфер деятельности, не имеющих отношения к моим текущим занятиям. Так я угодила в распространенную ловушку: ученые, как и все остальные, чувствуют себя наиболее комфортно, находясь в окружении себе подобных – людей, которые говорят на том же языке и интересуются теми же проблемами, будь они большими или мелкими.

Через два года после того, как мы с коллегами опубликовали статью с описанием CRISPR в качестве новой платформы для редактирования генома, я уже не могла оставлять в стороне глобальные вопросы этики и прочего подобного, связанные с ней, и оставаться внутри хорошо знакомого круга ученых. По мере того как исследователи применяли CRISPR для редактирования генома все большего числа видов животных и расширяли возможности этого инструмента, я осознавала, что остается не так много времени до того момента, когда какой-нибудь исследовательский коллектив протестирует CRISPR на человеческих яйцеклетках, сперматозоидах или эмбрионах с целью навсегда переписать геном еще не рожденного человека.

Невероятно, но никто не обсуждал эту возможность. Революция в редактировании генома происходила словно за спинами тех людей, которых ее последствия должны были коснуться в первую очередь. Даже когда область исследований CRISPR начала стремительно расширяться, словно ударная волна после взрыва, никто за пределами узкого круга моих коллег будто бы не знал или не понимал, что именно произойдет совсем скоро. В итоге между моей профессиональной деятельностью и моей личной жизнью возник огромный разрыв. Днем я обсуждала результаты работы с коллегами, вечером ужинала с друзьями и соседями или общалась с другими родителями на родительских собраниях – и все время удивлялась, насколько мало друг о друге знают представители этих двух миров. И когда власти Великобритании инициировали открытую дискуссию о митохондриальной заместительной терапии, я начала задавать себе вопрос: а смогу ли я выдержать бурю этических вопросов, которая разгоралась вокруг технологии, которую я сама же помогла создать.

Не то чтобы я была категорически против идеи использования редактирования ДНК для внесения наследуемых изменений в геном человека. Разумеется, существуют многочисленные философские и технические проблемы, а также вопросы безопасности – о многих из них я расскажу в следующей главе, – которые заслуживают вдумчивого обсуждения и даже жарких дискуссий, но ни один из них нельзя признать решительным аргументом в пользу того, чтобы полностью запретить это применение технологии. Меня гораздо больше беспокоили две других, более ощутимых опасности: во-первых, в результате серии авантюрных, непродуманных экспериментов ученые могут преждевременно использовать CRISPR – без должного надзора и серьезной оценки рисков; во-вторых, из-за его эффективности и простоты в применении CRISPR могут незаконно использовать в неблаговидных целях.

Сложно было предсказать, какие это могут быть злоупотребления и кто их может совершить. Даже весной 2014-го, еще до того, как у меня появилась возможность всесторонне рассмотреть эти проблемы, мое подсознание подкидывало ответы в виде ночных кошмаров – один из них я описала в начале этой книги.

В одном из таких снов мне явилась коллега, спросившая, не интересно ли мне будет объяснить некоему человеку механизм работы технологии редактирования генома. Я пошла вслед за ней в некую комнату, где нас ждал этот человек, и, к своему ужасу, увидела перед собой Адольфа Гитлера – при этом вместо лица у него была свиная морда (вероятно, потому, что в тот период я очень много думала над гуманизированным геномом свиньи, переписанным с помощью CRISPR). Гитлер основательно подготовился к нашей встрече: у него были наготове ручка и бумага. Глядя на меня с неподдельным интересом, Гитлер сказал: “Я хочу понять, какие применения есть у этой удивительной технологии, которую вы создали”[231].

Его ужасающий вид и мрачный вопрос выдернули меня из сна. Лежа в темноте, с бешено колотящимся сердцем, я не могла избавиться от ужасного предчувствия, которое породил во мне этот кошмар. Способность перекраивать геном человека – действительно невероятная мощь, и она может привести к разрушительным последствиям, если попадет не в те руки. Эта мысль пугала меня еще сильнее, поскольку к тому времени CRISPR уже использовали во всех уголках земного шара. Десятки тысяч связанных с CRISPR инструментов уже отправились к покупателям из десятков разных стран[232], а теория и протоколы манипуляций, требуемые для создания “дизайнерских мутаций” у млекопитающих – по крайней мере, у мышей и обезьян, – были очень подробно описаны во множестве научных статей[233]. Вдобавок к этому CRISPR применяли не только в сотнях академических и коммерческих лабораторий по всему миру; в интернете наборы для модификации генома мог купить любой, у кого имелась сотня долларов[234]. Конечно, эти CRISPR-наборы в стиле “сделай сам” были предназначены для модификации генов только у бактерий и дрожжей, но технология была достаточно простой, и лабораторные эксперименты с геномами животных стали настолько обычными, что не составляло труда представить, что биохакеры начнут работать и с более сложными системами генов – включая нашу собственную[235].

Что мы наделали! Эммануэль, и я, и наши коллабораторы представляли, что технология CRISPR будет спасать жизни, помогая излечивать генетические заболевания. Но когда я думала об этом позже, я едва ли была в состоянии хотя бы обзорно охватить все варианты того, каким образом нашу непростую научную работу можно извратить. Обескураженная тем, насколько стремительно развиваются события и как быстро стало казаться, что буквально все может пойти не так, я начала чувствовать себя доктором Франкенштейном. Я создала монстра?

И как назло, будто бы мой разум был недостаточно сильно занят этими тревожными мыслями, я обнаружила, что переживаю по поводу еще одной вероятности: что ученые не смогут проводить свои исследования с должной степенью открытости. В конце концов, наука не делается в вакууме. Это особенно справедливо для прикладных наук, открытия в которых часто оказывают непосредственное влияние на общество. Я абсолютно уверена, что ученые, работающие в этой области, обладают достаточной степенью ответственности, чтобы проводить свои исследования открыто, чтобы объяснять свои работы неспециалистам и чтобы участвовать в общественных дискуссиях по поводу вероятных рисков, пользы и разновидностей своих экспериментов перед проведением любого из них, способного, образно говоря, пересечь Рубикон.

В случае с CRISPR казалось очевидным, что общественное обсуждение сильно отстает от научных исследований, продвигающихся с головокружительной быстротой. Мне было интересно, случится ли резкий откат назад, если эксперименты на людях попытаются провести до того, как пройдет широкая открытая дискуссия о редактировании генов. И казалось вполне возможным, что такой откат может остановить или отсрочить применение CRISPR для решения более важных и менее противоречивых задач, таких как лечение генетических заболеваний у взрослых пациентов. Я все больше беспокоилась по поводу таких перспектив и стала отчаянно искать какие-то подсказки: как же быть дальше?

Примерно в это время я поняла, что мне на ум постоянно приходят аналогии с ядерным оружием – областью, в которой научные разработки велись в секрете и без адекватной дискуссии о том, как именно следует использовать полученные исследователями результаты. Особенно это относится к эпохе Второй мировой войны. Роберт Оппенгеймер, бывший профессор физики из Беркли и один из отцов атомной бомбы, говорил ровно о том же в серии слушаний по безопасности по окончании войны – уже после своих смелых призывов к окончанию ядерной гонки вооружений (не будем тут о его связях с коммунистами) и к вящей ярости политиков. Комментируя американскую реакцию на испытания первой советской атомной бомбы и начавшиеся после этого споры о том, не следует ли США разработать еще более мощную водородную бомбу, Оппенгеймер сказал:

Мое суждение о таких вещах следующее: когда видите нечто очень привлекательное с технической точки зрения, вы идете и делаете это. А вопросы о том, что теперь делать с этим изобретением, вы начинаете задавать позже, уже после того, как оно доказало свою успешность. Именно так было с атомной бомбой. Я не думаю, что кто-то возражал против ее создания; дебаты о том, что же теперь с ней делать, появились уже после того, как она была создана[236].

Слова Оппенгеймера еще больше растравили мне душу. Возможно, однажды мы скажем то же самое по поводу CRISPR и генетически модифицированных людей. Хотя редактирование генома человека почти наверняка никогда не приведет к таким же катастрофическим последствиям, к каким может привести взрыв атомной бомбы, казалось вполне вероятным, что излишняя поспешность в исследованиях все же может нанести вред – как минимум подорвав доверие общества к этому новому виду биотехнологий. В самом деле, учитывая общую обеспокоенность некоторыми разновидностями генной инженерии применительно к сельскому хозяйству и даже резкие возражения против них, меня все больше волновало, что недостаток данных о редактировании генома клеток зародышевого пути – или распространение неверной информации об этом – может помешать нашим попыткам использовать CRISPR в гораздо более безобидных и одновременно более важных целях.

Мой разум пытался продраться через все эти сценарии, и я все больше думала о том, как бы выкарабкаться из настоящего клубка проблем. Мне хотелось придумать какие-то упреждающие меры и запустить честное и открытое общественное обсуждение технологии, которую я помогла создать. Могла ли я и другие обеспокоенные ученые спасти CRISPR от самого себя – не после того, как худшее уже случится, как было с ядерным оружием, а до катаклизма?

Я искала ответы и во время другого ключевого момента в истории биотехнологии – эпизода, когда тревожные голоса раздавались и в научном сообществе, и за его пределами. Тогда, как и сейчас, причиной для беспокойства был прорыв в генной инженерии – создание рекомбинантных ДНК. И в том случае ученые предприняли активные действия – которые в конечном счете оказались успешными, – чтобы их работа не привела к непреднамеренному ущербу.

В начале 1970-х годов ученые совершили важнейшие открытия в зарождающейся области сплайсинга генов – химического слияния (рекомбинации) очищенных фрагментов генетического материала от разных организмов для создания ранее никогда не существовавших синтетических молекул ДНК. Пол Берг, биохимик из Стэнфорда, впоследствии получивший Нобелевскую премию, был первым, кто смог осуществить такой сплайсинг, и он сделал это, скомбинировав ДНК из трех источников: бактериофага, известного как фаг лямбда, бактерии E. coli и поражающего обезьян вируса, известного как вирус обезьян 40, или SV40[237]. После получения рекомбинантных ДНК бактерии и вирусов Берг планировал ввести образовавшиеся гибридные мини-хромосомы в клетки, чтобы он мог изучать функции отдельных генов, когда они экспрессируются вне своего обычного окружения.

Но при этом Берг и другие ученые поняли, что эксперименты с модифицированным генетическим материалом могут иметь многочисленные непредсказуемые и потенциально опасные последствия. Возможно, наиболее неприятной была мысль о том, что может случиться, если синтетическая ДНК из-за недостаточного ограничения ее перемещений каким-то образом окажется за пределами лаборатории. Изначальный план Берга заключался в том, чтобы внести генетический материал в лабораторные линии бактерии E. coli, но поскольку пищеварительная система человека от природы содержит миллиарды безвредных представителей этого вида, казалось возможным, что генетически модифицированные кишечные палочки могут проникнуть в организм людей и навредить нам. Более того, поскольку известно, что вирус SV40 способен вызывать опухоли у мышей, существовала вероятность того, что фрагмент его ДНК может создать новый канцерогенный патоген, который при попадании в окружающую среду, вероятно, нанесет серьезный ущерб.

Из-за этих опасений Берг и его сотрудники отложили свои эксперименты. Вместо этого Берг созвал слушателей и спикеров на конференцию, которая проходила в красивом Асиломарском конференц-центре (Asilomar Conference Grounds), расположенном в Пасифик-Гроув, штат Калифорния, на западной оконечности полуострова Монтерей. Прежде чем продолжать исследования, он хотел, чтобы его коллеги помогли ему провести тщательный анализ затрат и выгоды намеченных экспериментов.

Эта встреча состоялась в 1973 году и стала первой (из двух) Асиломарской конференцией. Она была сосредоточена на ДНК онкогенных вирусов и на рисках, которые они несли; конференция не затрагивала напрямую новые опыты с рекомбинантной ДНК, которые продумывал Берг. Впрочем, в том же году ученые провели и вторую конференцию, посвященную именно сплайсингу генов. Опасения, высказанные на этой встрече, заставили ученых попросить Национальную академию наук организовать комитет для официального исследования новой технологии. Берг выступал в роли председателя этой группы, Комитета по рекомбинантным молекулам ДНК, первая встреча которого прошла в МТИ в 1974 году. Вскоре после этой встречи было опубликовано важное сообщение под названием “Возможные биологические риски использования рекомбинантных молекул ДНК”[238].

В “моратории Берга”, как его теперь часто называют, выдвигались беспрецедентные требования: запретить во всем мире эксперименты, которые комитет счел наиболее опасными, – те, что были направлены на создание устойчивости к антибиотикам у новых штаммов бактерий, и те, что были направлены на создание гибридных ДНК с онкогенными вирусами животных. Это был один из первых случаев, когда ученые добровольно отказались от проведения целого класса экспериментов без каких бы то ни было законов или запретов со стороны правительства.

Мораторий Берга включал и три других рекомендации: во-первых, ученые должны крайне осторожно подходить к любым экспериментам, в которых предполагается комбинировать ДНК бактерий и животных; во-вторых, Национальные институты здравоохранения должны организовать экспертную комиссию для мониторинга будущих неоднозначных ситуаций с рекомбинантной ДНК; и в-третьих, должна быть созвана международная встреча, чтобы ученые со всего мира могли оценить недавние успехи в данной области и обсудить, что делать с потенциальными опасностями. Эта последняя рекомендация была реализована в виде второй Асиломарской конференции – она же Международный конгресс по проблеме рекомбинантных ДНК (International Congress on Recombinant DNA Molecules), – прошедшей в феврале 1975 года.

Много написано по поводу второй Асиломарской конференции[239]. В ней приняли участие примерно сто пятьдесят человек, в основном ученые, но также юристы, представители правительства и журналисты. Временами дискуссия становилась жаркой, и даже эксперты-биологи не могли договориться друг с другом в оценке размера возможного вреда от экспериментов с рекомбинантными ДНК. Кое-кто считал, что снимать мораторий слишком рано, так как, по их мнению, определенные опыты должны быть запрещены до тех пор, пока не станет известно больше о связанных с ними рисках; другие считали, что эти риски, скорее всего, нереалистичны или, по крайней мере, их вероятность минимальна – и уж точно они не так серьезны, чтобы от них не могли защитить элементарные меры безопасности. В конце концов Берг и его коллеги решили, что большинство экспериментов следует продолжить[240], но только с соответствующими мерами безопасности, а именно: биологическими и физическими преградами для перемещения генетически модифицированных организмов.

Хотя эти заключения были, несомненно, важны, ничуть не менее важно, что вторая Асиломарская конференция позволила установить связь между учеными и общественностью. Представители различных медиа, посетившие встречу, рассказали своим аудиториям о дискуссиях, которые вели ученые. Эта прозрачность не привела к неразберихе и драконовским ограничениям, вопреки страхам некоторых исследователей, а помогла достичь договоренности, позволившей ученым продолжать исследования при поддержке общественности[241].

Впрочем, у второй Асиломарской конференции были также и критики. На конференцию можно было попасть только по приглашениям, и учитывая, что не-ученых на ней было очень немного, некоторые наблюдатели посчитали, что мероприятие не смогло охватить достаточно большую аудиторию вне научного сообщества[242]. Другие видели проблему в том, что на конференции совершенно не затрагивались такие темы, как биологическая безопасность и этика[243]. Возможно, наибольшей критике подверглась идея о том, что именно эксперты должны определять ход дискуссии, поскольку они имеют больший доступ к информации, лучше осведомлены о рисках, выгодах и этической неоднозначности новой технологии и им проще просчитать эти риски. Бенджамин Херлбат, историк науки из Университета штата Аризона, говорит по этому поводу:

Этот подход свидетельствует о неправильном понимании демократии. Мы должны сфомулировать наше представление о желаемом демократическом будущем, и развитие наших технологий должно зависеть от этого будущего, а не наоборот. Наука и технологии часто объявляют себя слугами общества; они должны с полной серьезностью относиться к собственным заявлениям. Размышления о том, что правильно для нашего мира, что подходит ему – и что угрожает его моральным устоям, – задача демократии, а не науки[244].

Я абсолютно согласна с тем, что общество в целом – а не отдельные ученые и не группы ученых – должно решать, как использовать каждую конкретную технологию. Но тут есть одна трудность: общество не может принимать решений по поводу технологий, которые оно не понимает, и тем более по поводу тех, про которые оно вообще не знает. И задача ученых – обратить внимание публики на очередной научный прорыв, как это сделал Берг с коллегами, рассказать о новейших технологических достижениях и развенчать мифы вокруг них, чтобы общественность могла понять, каковы возможности и варианты применения этих технологий. В конце концов, когда методика сплайсинга генов была только разработана, многие биологи даже не знали о ее существовании; понадобилась дискуссия внутри сообщества с привлечением экспертов, которые понимали, что собой представляет эта технология и каковы ее возможности. Сделав подобную дискуссию публичной и пригласив на нее представителей прессы, которые могли бы рассказать общественности о новой технологии в понятной неспециалисту форме, Берг и его коллеги помогли сломать стену между учеными и общественностью и проложить путь к созданию регулирующего органа – Консультативного совета по рекомбинантной ДНК[245], который в дальнейшем осуществлял мониторинг новых исследований рекомбинантной ДНК и ее клинических применений.

Примерно сорок лет спустя, в начале 2014-го, я решила, что нам стоит применить аналогичный подход – не только для CRISPR, но и для редактирования генома в целом. Технология уже распространилась по научному сообществу, как лесной пожар; за его короткую историю высокоточное редактирование генома применили ко множеству видов животных (и список “отредактированных” продолжает расти), и все говорит о том, что до применения редактирования генома соматических клеток человека в терапевтических целях рукой подать. Однако ученые и общество будто бы игнорируют вполне реальную возможность того, что ту же технологию скоро применят к клеткам человеческих эмбрионов, и кажется, что они совершенно не принимают во внимание значение этого варианта редактирования геномов клеток зародышевого пути.

Открытое и честное обсуждение редактирования геномов клеток зародышевого пути абсолютно точно должно было начаться незамедлительно, и я чувствовала, что должна как-то стимулировать это обсуждение. Подобно тому как Берг и его коллеги забили тревогу, когда риски в их работе стали очевидными, мне нужно было выйти из зоны комфорта – собственной лаборатории – и помочь распространить информацию о последствиях наших экспериментов. Только так технологию CRISPR смогут полностью понять люди, чьи жизни она скоро затронет. Только так, надеялась я, можно избежать наихудших последствий ее появления.

Для ученого вроде меня одно дело – организовать встречу коллег для обсуждения тем, в которых я свободно ориентируюсь. Совершенно другое – взять на себя ответственность за дискуссию о более отдаленных следствиях применения технологии, за обсуждение не научных вопросов кинетики реакций, биофизических механизмов и взаимоотношений структуры и функций, а вопросов политики, этики и юридического урегулирования. Я никогда раньше не играла подобной роли, и сперва она чрезвычайно меня пугала.

К счастью, мне не пришлось выполнять эту работу в одиночку. Незадолго до этого я выступила сооснователем Института инновационной геномики (ИИГ), целью которого было совершенствование технологий редактирования генома, и очень быстро поняла, что ИИГ, расположенный в Области залива Сан-Франциско, отлично подходит для того, чтобы провести в нем конференцию, подобную тем, что Берг устраивал в Асиломаре. Но я понимала, что общественная дискуссия должна развиваться самостоятельно и не следует ускорять ее искусственно, сразу устраивая масштабный конгресс. Я решила, что сначала стоит организовать небольшой однодневный форум, пригласить на него примерно двадцать человек. Я видела непосредственную цель форума в том, чтобы составить “белую книгу” – доклад, в котором был бы намечен путь дальнейшего развития этой области науки и содержался бы призыв к другим заинтересованным лицам высказаться на тему редактирования генома. Я надеялась, что наша первая встреча, которую мы в конце концов назвали Форум ИИГ по биоэтике, станет прелюдией к гораздо более масштабной конференции, которая охватит бóльшую аудиторию.

Мы назначили форум на январь 2015 года и выбрали в качестве места его проведения гостиницу Carneros Inn в долине Напа, известном винодельческом регионе, всего примерно в часе езды от Беркли. Помогали организовать форум Джонатан Вайссман, мой близкий коллега из Калифорнийского университета в Сан-Франциско и содиректор ИИГ; Майк Ботчан, коллега из Беркли и административный директор ИИГ; Джейкоб Корн, научный директор института; и Эд Пенэт, заслуженный профессор в Беркли и сооснователь биотехнологической фирмы Chiron.

Одним из первых приглашение получил сам Пол Берг (он сейчас заслуженный профессор в Стэнфорде), и я была взволнована, когда узнала, что он это приглашение принял. Также в списке приглашенных был Дэвид Балтимор, лауреат Нобелевской премии, биолог из Калтеха и коллега Берга; Балтимор не только участвовал во встрече 1974 года, но и был соавтором написанной по ее итогам статьи, призывавшей к мораторию на исследования рекомбинантных ДНК. Кроме того, он играл ключевую роль в обсуждениях на второй Асиломарской конференции. Участие Пола и Дэвида в форуме означало, что он будет напрямую связан с событиями, которые и вдохновили меня на организацию этой встречи. Что еще важнее, их знания в данной области, несомненно, должны были помочь нам пройти сложный путь, лежавший перед нами.

Также свое участие подтвердили Алта Чаро, профессор права и биоэтики в Висконсинском университете в Мэдисоне; Дана Кэрролл, одна из пионеров редактирования генов в эпоху до появления CRISPR; Джордж Дейли, эксперт в области стволовых клеток из Бостонской детской больницы; Марша Феннер, руководитель программ ИИГ; Хэнк Грили, директор Центра права и биологических наук Стэнфордского университета; Стивен Мартин, заслуженный профессор Калифорнийского университета в Беркли и бывший декан биологического факультета там же; Дженнифер Пак, профессор педиатрии в Калифорнийском университете в Сан-Франциско; Джон Рубин, продюсер и режиссер кино, Сэм Стернберг, мой соавтор и в то время соискатель степени доктора философии; и Кит Ямамото, профессор Калифорнийского университета в Сан-Франциско и административный директор ИИГ. Некоторых других ученых тоже приглашали, но они отказались участвовать (Джордж Чёрч и Мартин Йинек не присутствовали, но в итоге тоже подписали статью, опубликованную по итогам встречи).

Мы провели форум 24 января 2015 года. Семнадцать его участников представили доклады о генной терапии и улучшении генома клеток зародышевого пути, о существующих законодательных нормах, регулирующих генетически модифицированные продукты, и о частных деталях CRISPR. Еще интереснее, что эти доклады, по моему мнению, были скорее вольными рассуждениями собравшейся группы о будущем редактирования генома. Эти разговоры были полны энтузиазма и новых идей и затрагивали темы, которые я раньше проговаривала только сама с собой.

Когда мы начали обсуждать авторство “белой книги”, в которой были бы собраны наши выводы, возникли дебаты о том, кто же будет целевой аудиторией доклада и чего мы надеемся достигнуть. Должны ли мы описать все последствия использования CRISPR – включая новые типы ГМО и даже дизайнерские организмы – или только его потенциальную роль в редактировании генома клеток зародышевого пути? Действительно ли CRISPR поднял новые вопросы о модификации зародышевого пути – или различия между этим методом и более ранними технологиями только количественные? И какой вердикт редактированию генома клеток зародышевого пути вынесет наша небольшая группа – следует ли полностью запретить технологию или оставить возможность ее применения в будущем?

В ходе этих обсуждений постепенно начало вырисовываться единое мнение. Мы решили, что использование редактирования генома конкретно в клетках зародышевого пути человека должно стать центральной темой нашего доклада. Генную терапию на тот момент применяли в соматических клетках пациентов уже два с лишним десятилетия, и ранние технологии редактирования генома соматических клеток также были уже испытаны в клинике. Было очевидно, что редактирование клеток зародышевого пути – такая область, о которой мало кто знает и для которой необходимость общественного обсуждения была наиболее насущной. Во многом так получилось потому, что CRISPR, как все признают, снизил технические барьеры, которые в свое время делали редактирование генома клеток зародышевой линии человека сложным, почти невозможным делом.

Несмотря на множество статей, написанных раньше о модификации геномов клеток зародышевого пути, несмотря на конференцию, проведенную в 1998 году в Университете Южной Калифорнии в Лос-Анжелесе, вопреки сценариям Судного дня, придуманным фантастами в последние годы, до появления CRISPR было просто невозможно отредактировать клетки зародышевого пути человека хоть сколь-нибудь точно. Теперь, конечно, все иначе – и на это обратил внимание один из участников форума, рассказавший нам, что рукопись некоей научной статьи с описанием экспериментов, в ходе которых человеческие эмбрионы были отредактированы с помощью CRISPR, уже ходит по редакциям ведущих научных журналов. Эта работа (если она действительно была проведена) стала первой, в ходе которой ученые специально “подкрутили” выбранные ими последовательности ДНК в геноме потенциального человеческого существа.

Если и стоило затевать общественное обсуждение, то это нужно было делать прямо сейчас. Но какой будет наша позиция? Многие из нас в принципе не были уверены в безопасности внесения наследуемых изменений в геном человека – учитывая, что любые ошибки в нем могут оказаться катастрофическими и для конкретного индивида, и для будущих поколений. Можно ли оправдать подобные изменения с точки зрения этики – совершенно другой вопрос.

Мы рассуждали о вопросах социальной справедливости и свободы деторождения и открыто выражали свои страхи по поводу евгеники. Некоторых участников беспокоило, что наука как раз и движется в направлении евгеники, в то время как другие признавались, что они не видят ничего плохого в редактировании генома клеток зародышевого пути человека – по крайней мере в теории. Эти люди считали, что если мы сможем доказать его безопасность и эффективность, а потенциальная польза существенно перевесит риски, то нет смысла задавать для этого вида терапии более серьезные ограничения, чем для других методов лечения.

Впрочем, в конце концов до нас дошло, что не мы должны принимать решения по этому поводу. Не эти семнадцать человек в помещении вольны определять, что должна общественность думать о редактировании зародышевой линии. Мы ощущали бремя двойной ответственности. Во-первых, нам нужно было информировать публику о том, что редактирование генома клеток зародышевой линии – новая общественная проблема, на которую нужно обратить внимание, которую необходимо изучать, обсуждать и принимать по ней решения. Во-вторых, нам нужно было призвать научное сообщество – тех людей, которым уже были известны тонкости технологии, и тех, кто агрессивно продвигал ее во все новые области, – несколько притормозить на этом направлении исследований. Нам казалось критически важным убедить коллег, что сейчас не стоит бросаться сломя голову в любые новые исследования, связанные с изменением зародышевого пути человека, не говоря уже о попытках медицинского применения редактирования генома. В общем, мы хотели, чтобы научное сообщество, так сказать, нажало на “паузу” в экспериментах в этой области до тех пор, пока общественные, этические и философские последствия редактирования генома клеток зародышевого пути не будут проработаны с должной степенью подробности – и в идеале на мировом уровне.

Как лучше всего достигнуть этих целей? Может быть, написать колонку в одну из больших газет? Устроить пресс-конференцию? Или поместить в каком-нибудь академическом журнале обзорную статью – фактически научную колонку? После некоторых размышлений мы выбрали последний вариант, решив, что тут мы сможем охватить наибольшее число заинтересованных исследователей – а также, вполне вероятно, текст будет замечен и неспециализированными СМИ, как это часто происходит с резонансными статьями в научных журналах. А поскольку наш форум был посвящен одной из наиболее горячих тем во всей биологической науке, то мы не сомневались, что статья наделает шума.

В завершение встречи мы набросали первый эскиз статьи, которую планировали послать в журнал Science. Цель статьи, решили мы, – в привлечении внимания к теме без излишнего погружения в дебри деталей. Конечно, в этой теме есть множество спорных вопросов, которые в конце концов придется обсуждать, но эта первая публикация не казалась подходящим местом для такого обсуждения. Мы хотели просто сдвинуть дело с места, а подробные обсуждения оставить для будущих встреч, которые сможет посетить большее количество человек.

Вечером, когда наша энергия окончательно иссякла, мы с коллегами направились в французский ресторан Angèle, расположившийся неподалеку от реки Напа. Сидя на улице за длинным овальным столом, овеваемые прохладным ветерком с близлежащих холмов, мы попивали местное вино, наслаждались закусками и непринужденной болтовней о работе, семьях и путешествиях. Все мы были рады на время отложить в сторону непростые темы, обсуждениям которых отдали все утро и весь день. Но что касается меня лично, то я все равно мысленно постоянно возвращалась к ним.

Правильно ли я поступила, что вышла на эту новую для себя сцену? Идея выступать перед общественностью по поводу специальной научной проблемы, вне зависимости от ее важности, казалась мне совершенно чуждой, почти вызывающей. Было совершенно неясно, окажет ли наша статья серьезный эффект и будет ли она воспринята именно так, как мы хотели. Даже если все пройдет хорошо, то, возможно мы сделали слишком мало, слишком поздно. Рукопись, о которой рассказал нам коллега, – та, которую рецензировали для публикации несколько ведущих научных журналов, – беспокоила меня. Возможно, идут и другие подобные эксперименты, или же их собираются провести в ближайшем будущем. Будут ли они опубликованы до того, как у нас появится шанс обнародовать свои выводы?

Я была уверена только в одном: теперь, когда я ступила на этот путь, мне надо двигаться быстро. В тот же вечер, вернувшись домой в Беркли, я тут же начала разбирать свои заметки и составлять черновой план статьи. Написать ее оказалось непросто, однако через пару недель я отправила ее первую версию остальным участникам нашего форума в долине Напа, и мы начали поочередно, по кругу вносить в нее исправления и изменения. 29 марта 2015 года статья была опубликована онлайн под заголовком “Продуманный план дальнейшего развития геномной инженерии и модификации генома клеток зародышевого пути” (A Prudent Path Forward for Genomic Engineering and Germline Gene Modification)[246].

В статье объемом всего в несколько страниц объяснялась суть технологии и высказывались наши опасения по ее поводу. После краткого описания CRISPR, концепции редактирования генома и ее уже опробованных приложений мы обратились к теме редактирования генома клеток зародышевого пути человека. По поводу этого мы выдвинули четыре конкретные рекомендации.

Мы попросили экспертов из научного и биоэтического сообществ провести собственные форумы, на которых заинтересованные представители общественности смогут получить достоверную информацию о новых технологиях редактирования генома, их потенциальных рисках и выгодах, а также об этических, социальных и юридических последствиях этих технологий.

Мы призвали исследователей к тому, чтобы они продолжили тестировать и развивать технологию CRISPR на культурах человеческих клеток и на нечеловекообразных обезьянах, чтобы мы смогли лучше представлять себе профиль безопасности этой технологии – прежде чем каким-либо образом применять ее в клинике.

Мы предложили организовать международную встречу, чтобы убедиться, что все проблемы безопасности и этики можно открыто и с полной прозрачностью обсудить – не только в кругу ученых и специалистов по биоэтике, но и с участием множества самых разных заинтересованных лиц, которые, очевидно, тоже захотят сказать свое слово: представителей духовенства, борцов за права пациентов и инвалидов, социологов, представителей правительственных регуляторов и других.

В последнем и, вероятно, самом важном пункте мы просили ученых воздержаться пока от попыток внести наследуемые изменения в геном человека. Мы хотели, чтобы исследователи даже в тех странах, где этот вопрос регулируется слабо, приостановили соответствующие эксперименты, чтобы дать правительствам и гражданам других государств шанс рассмотреть вопрос. Хотя мы избежали использования слов “запрет” и “мораторий”, суть послания была ясна: в ближайшее время нельзя рассматривать какую-либо возможность клинического применения.

Все мои страхи по поводу того, как примут нашу статью и какой эффект она произведет, рассеялись, как только она была опубликована. В последующие дни многие коллеги связывались с нами, чтобы поблагодарить за то, что мы подняли эту тему, и узнать подробности предстоящей встречи. Кто будет ее организатором – профессиональные сообщества или национальные академии? Как будет организовано участие других стран? Пройдет ли она в Асиломаре, как предыдущие имеющие историческое значение конференции, или мы выберем другое место? Множество сообщений пришло и от журналистов, и от простых граждан, и это в большой степени заслуга прессы, которую привлекла наша статья. Газета New York Times опубликовала первополосную статью, получившую сотни комментариев от читателей[247]; наш обзор также был замечен такими крупными медиа, как National Public Radio и Boston Globe, а также многочисленными блогами и сайтами[248]. Без сомнения, помог и тот факт, что коллектив авторов журнала Nature призвал к запрету редактирования генома клеток зародышевого пути человека[249] буквально за несколько дней до того, как мы сделали то же самое, а научный журнал MIT Technology Review не так давно опубликовал захватывающую статью на ту же тему[250].

Тема в одночасье стала популярной. В мгновение ока CRISPR превратился из революционной, но слегка загадочной технологии в нечто обыденное. Теперь, когда выдающиеся последствия применения этой технологии для будущего человечества стали достоянием общественности, я позволила себе надеяться, что у нас получится разносторонний честный разговор о редактировании клеток зародышевого пути: когда мы должны разрешить его применение (если вообще должны), как мы будем регулировать его и с какими его последствиями мы готовы смириться, а с какими не готовы. Было отрадно наконец начать публичное обсуждение CRISPR – но путь впереди лежал еще долгий.

У меня засосало под ложечкой, когда на конференции в долине Напа один из моих коллег проговорился, что CRISPR уже используют в экспериментах с геномами человеческих эмбрионов. В дальнейшем до меня дошли и другие слухи об этом исследовании и о статье, в которой оно описано. Их содержание заставило меня усомниться не только в некоторых деталях работы, но и в том, что она вообще была проделана. А что, если слухи не были подкреплены реальными фактами, а раздуты опасениями людей, которые, как и я, считают, что эксперименты подобного рода не должны проводиться бесконтрольно?

Пока я думала об этом, последствия любого исследования, в которое вовлечено редактирование генов, начинали казаться мне всё более и более тревожными. Даже если эмбрионы не используются для создания человека (а этого точно никто не стал бы делать, говорила я себе, учитывая, какой общественный резонанс это вызовет), редактирование их с помощью CRISPR все равно стало бы важной вехой в науке – впервые ДНК нерожденного человека была бы подвергнута редактированию. Подобный эксперимент не только распахнул бы дверь, которую мы бы потом никогда не смогли закрыть, но и, вероятно, с самого начала обрек бы на неудачу все попытки конструктивного диалога, который мы с коллегами пытались начать. Объявив, что исследование “забежало вперед” общественного обсуждения, его исполнители стопроцентно привлекли бы к себе много внимания и, вероятно, значительного возмущения. Главным моим опасением было то, что такие ученые смогут непреднамеренно (но бесповоротно) настроить большую часть общества против развивающейся технологии, несмотря на огромный положительный потенциал последней.

Мне не пришлось долго ждать, чтобы выяснить детали экспериментов. 18 апреля 2015 года, всего через месяц после того, как мы с коллегами обнародовали наш призыв к ученым воздержаться от клинического применения редактирования клеток эмбрионов человека, статья, о которой ходило столько слухов, была опубликована. И хотя эксперименты, описанные в ней, не предполагали создание эмбрионов, которые можно было бы имплантировать в матку, исследование тем не менее привлекло немало внимания.

В статье, опубликованной в журнале Protein and Cell[251], описывались эксперименты лаборатории Цзюньцзю Хуана из Университета Сунь Ятсена (Гуанчжоу, Китай). Хуан и его коллеги ввели CRISPR-систему в 86 эмбрионов человека. Мишенью в этом исследовании служил ген, ответственный за образование бета-глобина – составляющей гемоглобина, белка, разносящего по телу кислород. У людей с дефектами в гене бета-глобина развивается тяжелое заболевание крови – бета-талассемия. Целью Хуана было прицельное редактирование гена бета-глобина у всех 86 эмбрионов; успех эксперимента означал бы принципиальную возможность остановить болезнь еще до ее начала.

Группа Хуана ввела в эмбрионы гуманизированные генетические инструкции для производства нужных молекул системы CRISPR – молекулу РНК, сообщающую определенные GPS-координаты в геноме, и белок Cas9, разрезающий ген в указанном РНК месте. Еще в этот набор входил фрагмент синтетической ДНК, на который заменяли поломанный ген, а также ген медузы, кодирующий зеленый флуоресцентный белок. Последний компонент позволял исследователям обнаружить эмбрионы, продолжившие расти и развиваться после редактирования их генов; все, что требовалось от ученых, – это искать клетки, светящиеся в темноте.

В чисто научном плане результаты экспериментов Хуана имели сомнительный успех. Проанализировав строение генов бета-глобина в подвергнутых редактированию эмбрионах, ученые выяснили, что из 86 лишь в четырех произошли нужные изменения, то есть эффективность изменения генов составила всего 5 %. Были и другие проблемы. Метод оказался неточным. В некоторых эмбрионах CRISPR отредактировал нецелевые последовательности ДНК – то есть не те гены – и засорил геномы этих эмбрионов незапланированными мутациями. В других эмбрионах CRISPR правильно вырезал заданную последовательность ДНК, но клетки не восстановились нужным образом: вместо того чтобы использовать предоставленный исследователями шаблон, они “залатали” поврежденные гены бета-глобина последовательностями нуклеотидов из близкого ему гена дельта-глобина. Помимо этого, некоторые из развивающихся эмбрионов были мозаичными, то есть их клетки содержали смесь из генов бета-глобина, по-разному отредактированных. В одном случае в эмбрионе нашли по меньшей мере четыре различных измененных последовательности гена бета-глобина, и только одна из них была такой, какой нужно. Вместо того чтобы отредактировать ген бета-глобина на стадии зиготы и таким образом “починить” главную и на тот момент единственную копию генома эмбриона, CRISPR работал слишком медленно и начал действовать лишь после того, как оплодотворенная яйцеклетка раздробилась на множество дочерних клеток.

Это были именно те риски, которые заставили меня публично заявить о необходимости приостановить эксперименты, в конечном счете ведущие к клиническому использованию редактирования генов эмбриональных клеток. Справедливости ради, группа Хуана признала, что их метод далек от совершенства, и отметила, что “существует острая необходимость повысить точность и специфичность платформы CRISPR-Cas9” до того, как предпринимать любые попытки ее клинического применения[252]. Но факт оставался фактом: мы пересекли грань. Теперь, когда редактирование генов было осуществлено на человеческих эмбрионах в лаборатории, я была уверена, что то же самое обязательно попробуют сделать и в клинике – это просто вопрос времени.

В данном случае Хуан, во всяком случае, позаботился о том, чтобы из эмбрионов, “отредактированных” CRISPR в ходе его экспериментов, не могли бы родиться дети. Для этого он использовал триплоидные эмбрионы человека. Они называются так потому, что их клетки содержат три набора по 23 хромосомы в каждом (всего получается 69 хромосом) вместо двух (всего 46 хромосом), из-за чего эмбрионы нежизнеспособны; во время процедуры ЭКО врачи легко выявляют триплоидные эмбрионы и выбраковывают их задолго до имплантации в матку.

В этих нежизнеспособных эмбрионах Хуан увидел идеальную модель для тестирования эффективности CRISPR. Для целей его экспериментов триплоидные эмбрионы практически ничем не отличались от обычных, жизнеспособных. Тем не менее, используя триплоидные эмбрионы, которым была прямая дорога в отходы биоматериалов, Хуан с коллегами смогли аккуратно обойти неизбежные во всех прочих случаях обвинения в уничтожении потенциальных человеческих жизней. Исследователи получили явно выраженное согласие на использование этих эмбрионов от пациентов, которые их предоставили, и разрешение этического комитета и провели эксперименты в полном соответствии с действующими китайскими законами[253]. Я знала, что такие же процедуры были бы сочтены законными и в Соединенных Штатах.

Я читала эту статью в своем кабинете в Беркли. Закончив, я долго смотрела на залив Сан-Франциско, погруженная в свои мысли. Я была потрясена, и меня немного подташнивало.

Было очевидно, что именно моя работа с Эммануэль, начатая когда-то с совершенно другими целями, привела к экспериментам Хуана – как бы мне ни хотелось отогнать от себя эту мысль. Какие еще ученые, какие еще пока не проведенные исследования будут тоже связаны с нами?

Вскоре стало ясно, что многие другие члены научного сообщества разделяют мои опасения по поводу экспериментов Хуана, хотя никого из них это не касалось лично в такой степени, как меня. Я узнала, что престижные научные журналы Nature и Science не приняли статью Хуана, частично из-за этических претензий к описанным в ней экспериментам[254]. Многие ученые согласились с тем, что исследование было проведено преждевременно, другие пытались понять, какие именно побуждения стояли за этой работой. Сотрудник Гарвардской медицинской школы Джордж Дейли сказал в интервью New York Times, что внимание, которое ученые, несомненно, надеялись привлечь, редактируя клетки эмбрионов человека, вполне может быть “той движущей силой, которая иногда толкает людей на странные поступки”[255].

Реакция на статью Хуана со стороны множества научных и правительственных организаций последовала быстро и была единодушной. Американское общество генной и клеточной терапии, ведущая профессиональная организация по вопросам медицины с использованием ДНК-технологий, повторно заявила, что выступает

Международное общество по исследованию стволовых клеток фактически повторило это заявление. Его президент поддержал точку зрения, согласно которой

Даже Администрация президента США Барака Обамы включилась в общее движение. Джон Холдрен, советник президента США по науке, в своем блоге, в записи под заголовком “О редактировании генома”, заявил:

Фрэнсис Коллинз, директор Национальных институтов здравоохранения (НИЗ), занял сходную позицию, оговаривая, что НИЗ не будут выделять государственное финансирование ни на какие исследования, предполагающие редактирование генов человеческих эмбрионов[259].

Складывалось впечатление, что американские разведывательные структуры тоже взволнованы известиями об исследовании Хуана. Я была потрясена, когда в следующей “Оценке глобальных угроз безопасности США” – ежегодном докладе, который разведсообщество страны представляет сенатскому Комитету по обороне, – в качестве одного из шести видов оружия массового поражения, которое другие государства могут попробовать разработать для борьбы с Америкой, было названо редактирование генома (наряду с российскими крылатыми ракетами, сирийским и иракским химическим оружием и ядерными программами Ирана, Китая и Северной Кореи)[260]. “Биологические и химические материалы и технологии, которые практически всегда имеют двойное назначение, в условиях глобальной экономики легко перемещаются, – писали авторы доклада, под «двойным назначением» имея в виду, что эти технологии можно применить и в мирных, и в военных целях. – Последние открытия в области медико-биологических наук тоже быстро распространяются по всему миру”. Без объяснения, каким именно образом редактирование геномов можно использовать в качестве оружия, в докладе отмечалось, что

Ни разу не усомнившись в том, что реальная причина для беспокойства уже существует, авторы недвусмысленно намекнули, что “успехи в редактировании генома в 2015 году заставили коллективы высококлассных американских и европейских биологов поднять вопрос о регулировании редактирования клеток эмбрионов человека”, – очевидная отсылка к статье Хуана и нашему описанию положения дел.

Мне было приятно узнать, что лидеры в столь разных областях деятельности разделяют нашу тревогу по поводу редактирования клеток эмбрионов человека, однако при этом меня потряс доклад разведки. Раньше, размышляя о возможных вариантах преступного использования CRISPR, я представляла себе недобросовестного ученого, завладевшего этой технологией. Мне даже приснился кошмарный сон, что она попала в руки к Гитлеру. Но что, если ныне живущие диктаторы или террористы попытаются применить CRISPR ради своих ужасных целей? Как мы сможем остановить их? И как я смогу жить, зная, что мои исследования, которыми двигало желание лучше понять природу – и с помощью этого знания впоследствии улучшить человеческую жизнь, – были использованы во вред и природе, и людям?

Еще меня поразил тот факт, что далеко не все негативно отреагировали на первые попытки использования CRISPR в человеческих эмбрионах. В июле 2015 года на страницах того же журнала, который парой месяцев раньше опубликовал статью Хуана, именитый философ и специалист по биоэтике Джулиан Савулеску заявил, что наш моральный долг заключается в том, чтобы продолжать подобные эксперименты, притом как можно более интенсивно. Отметив (и при этом значительно упростив реальную картину), что редактирование генов может “фактически искоренить все врожденные генетические дефекты” и значительно снизить степень вреда от хронических заболеваний, Савулеску и его соавторы высказали идею, что

Месяцем позже известный гарвардский ученый Стивен Пинкер в своей колонке для Boston Globe писал о большом разочаровании, которое вызывает у него излишне осторожная реакция на такие биотехнологические прорывы, как CRISPR. Не следует проводить “красную черту” и разрабатывать законодательные запреты, говорит Пинкер, поскольку

Другие авторитетные эксперты с энтузиазмом поддержали эксперименты по редактированию генома клеток человеческих эмбрионов, но провели четкую грань между фундаментальной наукой и клиническими применениями технологии. К примеру, в своем заявлении о генетической модификации клеток эмбрионов человека Хинкстонская группа (Hinxton Group) – глобальная сеть специалистов по этике и выработке государственной политики, ученых и юристов – превозносила невероятные перспективы редактирования генов в области общественного здравоохранения и советовала проводить фундаментальные исследования безо всяких ограничений по жизнеспособности эмбрионов[263]. И хотя авторы заявления признавали, что пока что клиническое использование редактирования генов недопустимо, они все же отмечали:

Коротко говоря, статья Хуана прорвала дамбу и вниз по течению хлынула волна публичных высказываний, смывшая любые надежды на быстрое достижение общественного консенсуса.

Обеспокоенные ученые, политические деятели и рядовые граждане должны были действовать быстро, чтобы начать глобальную дискуссию, которой добивались мы с соавторами. Мы едва успели опубликовать наш обзор до выхода статьи Хуана, а споры вокруг редактирования клеток эмбрионов человека стремительно разгорались. Вдобавок ко всему пошли слухи о том, что и другие исследовательские группы в Китае планируют эксперименты на человеческих эмбрионах с использованием CRISPR или даже проводят их[264]. И не только в Китае: в сентябре 2015-го мы узнали, что ученые из престижного лондонского Института Фрэнсиса Крика запросили разрешение на аналогичную работу[265]. Стало очевидно, что область знания не будет ждать, пока ученые или общество придут к компромиссу, возможность которого становилась все более призрачной.

К счастью, уже были начаты приготовления к первому международному конгрессу по вопросам редактирования генома человека. В конце весны и начале лета я и другие организаторы улаживали основные организационные вопросы: где, когда и под чьим патронажем будет проходить встреча. В конце концов Национальная академия наук, Национальная инженерная академия и Национальная академия медицины США согласились принять конференцию в Вашингтоне, округ Колумбия, в декабре того же года. Этот вариант нас полностью устраивал, поскольку поддержка таких организаций, естественно, прибавила бы конференции веса в глазах публики. Еще больше я обрадовалась, когда Китайская академия наук и Королевское общество (главная научная организация Соединенного Королевства) согласились стать соорганизаторами мероприятия. Многие ведущие исследователи, работающие над проблемой редактирования генов, проводили свои эксперименты в Соединенных Штатах, Великобритании или Китае, так что участие в саммите академий наук этих стран посылало недвусмысленный сигнал всему миру: редактирование эмбриональных клеток человека – насущная проблема, заслуживающая обсуждения на международном уровне. А кроме того, эта проблема слишком сложна, чтобы ее можно было решать поодиночке – усилиями отдельных организаций или даже государств.

Параллельно с уточнением технических деталей я и остальные одиннадцать членов комитета продумывали повестку саммита. Нашими главными целями были повышение осведомленности общественности о научной основе редактирования генома, обсуждение социальных вопросов, связанных с новой технологией, а также вероятных проблем с равным доступом к ней для представителей различных рас и людей с ограниченными возможностями. Все многообразие тем можно было сгруппировать в три основные категории: безопасность, вопросы этики и правовое регулирование редактирования генома.

Что касается безопасности, то нам предстояло обсудить, сможет ли в принципе редактирование генов в клетках эмбрионов человека стать когда-нибудь настолько надежным, чтобы можно было разрешить его клиническое применение? В конце концов потенциальная выгода должна перевесить множество вероятных рисков, включая и те, что так наглядно вышли на передний план благодаря исследованию Хуана. Однако стоит учесть и неожиданные последствия применения технологии и продумать, как ими можно управлять. Кроме того, мне было неясно, достаточно ли мы вообще знаем о генетике нашего вида, чтобы предвидеть все опасные последствия и избежать худших из них.

Нам также нужно было разрешить спорные этические вопросы, которые уже стали темой яростных дебатов, – вопросы об абортах, клонировании и экспериментах на стволовых клетках. Может быть, идея опытов на эмбрионах априори аморальна, независимо от того, подразумевается дальнейшая беременность или нет? Может ли редактирование генома несправедливо предопределить судьбу ребенка, повлечь дальнейшую маргинализацию людей с определенными генетическими недугами? Если кто-нибудь злоупотребит этой технологией – не возродит ли это порочную евгеническую практику, которая уже не раз омрачала историю науки в прошлом столетии?

Наконец, нам необходимо было обсудить правовые основания регулирования этой мощной технологии. В частности, предстояло определить, какую роль будут играть в этом регулировании государственные власти и научные сообщества. Некоторые варианты применения этой технологии (к примеру, снижение для ребенка риска унаследовать некое генетическое заболевание) могут быть признаны приемлемыми, в то время как другие (скажем, генетическое усовершенствование) могут быть запрещены. И многие люди, в том числе и я сама, размышляли над тем, насколько важно будет достичь консенсуса на международном уровне – и что произойдет, если мы этого не добьемся.

Чтобы как следует проработать эти сложные вопросы, мы обратились к экспертам из самых различных областей[266]. В число приглашенных вошли Мария Джесин и Дана Кэрролл, пионеры использования разрезающих ДНК ферментов для редактирования генов; Эммануэль Шарпантье, соавтор моих исследований CRISPR; Фэн Чжан и Джордж Чёрч, инноваторы в области технологий редактирования генома; Федор Урнов, разработчик редактирующего гены препарата, первым дошедшего до стадии клинических испытаний; Дэниел Кевлс, эксперт по истории евгеники; Джон Харрис, философ и сторонник усовершенствования человеческого организма; Марси Дарновски, исполнительный директор Центра взаимодействия генетики и общества; Кэтрин Блисс, эксперт по вопросам гендера и сексуальности, и Раха Бенджамин, исследовательница вопросов рас и этносов, здравоохранения и биотехнологий. Интересы правительства и законодателей представляли конгрессмен Билл Фостер (демократ от штата Иллинойс), советник Белого дома по вопросам науки Джон Холдрен, эксперты по правовым вопросам Алта Чаро, Пилар Оссорио, Барбара Эванс и Хэнк Грили, а также представители Китая, Франции, Германии, Индии, Израиля, Южной Африки, Южной Кореи и других стран.

Как и конференция в долине Напа, Международный саммит по вопросам редактирования генома человека был нацелен на то, чтобы расширить спектр поднимаемых тем в разговоре о редактировании генома клеток человеческих эмбрионов, а не на то, чтобы его подытожить. Цель была достигнута: к концу встречи, проходившей в течение нескольких дней в начале декабря 2015 года, я обнаружила, что вопросов у меня стало не меньше, чем было в начале, а пожалуй и больше. Зато я лучше поняла мотивы людей по разные стороны баррикад: многие из них с энтузиазмом отстаивали свою точку зрения и тем самым помогли мне лучше продумать и сформулировать собственный взгляд на редактирование геномов клеток эмбрионов человека.

Все высказанные тогда точки зрения и их обсуждения невозможно уместить не то что в одной главе, а в целой книге, так что я ограничусь изложением одного взгляда: своего собственного. На следующих страницах я объясню, как моя точка зрения изменилась в результате тех обсуждений, а также исследований и размышлений, в которые я была вовлечена с момента саммита в Вашингтоне. Я делала все возможное, чтобы рассмотреть все существующие подходы к проблеме и взвесить плюсы и минусы каждого из этих подходов. И хотя пока я не могу сказать, что нашла ответы на все вопросы, в результате моих размышлений у меня все же появилось несколько соображений о том, каким образом мы рано или поздно сможем безопасно и этично использовать CRISPR для редактирования геномов еще не родившихся людей, – а также о том, где на самом деле кроются самые большие опасности такого редактирования. За это время мне пришлось столкнуться и с неприятными, жестокими особенностями публичной политики, с ее недостатками в настоящее время, – и это помогло мне оценить путь, который мы как гражданское общество должны пройти, чтобы сделать CRISPR инструментом, работающим во благо человечества. Я абсолютно уверена, что это достижимо. Надеюсь, что мои соображения помогут продвинуть обсуждение редактирования геномов клеток эмбрионов человека, а также решить, будем ли мы вмешиваться в эволюцию нашего вида, и если да, то как именно.

Я пишу эти строки по дороге домой из нью-йоркской лаборатории в Колд-Спринг-Харбор, где я участвовала во второй ежегодной конференции, посвященной революции в редактировании генома, которую запустил CRISPR. Сборник тезисов конференции, содержащий краткие описания всех представленных на ней научных работ, открыт у меня в ноутбуке, как и заметки по итогам множества моих дискуссий с участниками конференции. Среди 415 участников конференции были не только сотрудники академических и коммерческих лабораторий, но и врачи, журналисты, редакторы различных изданий, а также люди с генетическими заболеваниями. Я уже видела подобную пеструю толпу на множестве семинаров, которые проводила для различных университетов и фондов в последние несколько лет. Эта пестрота отлично демонстрирует, каких групп населения коснется развитие технологий редактирования генома и кто способствует популяризации новых вариантов их использования.

Пока я была в Колд-Спринг-Харбор, одна студентка – беременная молодая женщина с заметным уже животом – представилась и спросила, могу ли я кратко описать собственный путь исследовательницы и матери, находящейся в самом эпицентре CRISPR-революции. Вначале, подумав о метафорической дистанции, которую я преодолела в этом качестве, я не смогла сдержать смех. А потом все же попробовала составить описание своего пути.

Это была дорога со взлетами и падениями, с такими перипетиями, которые я и представить себе не могла, отправляясь в путь. Я испытала чистую радость открытия; “удовольствие от понимания вещей”, как выразился физик Ричард Фейнман. Вместе со своим сыном я восхищалась механизмами, с помощью которых бактерии программируют белки таким образом, чтобы они работали в качестве вооруженной охраны, узнающей и уничтожающей вирусов-интервентов. Я вкушала заново все прелести студенчества, изучая эмбриональное развитие человеческого организма и медицинские, социальные, политические и этические проблемы, связанные с репродуктивными технологиями. Я открыла для себя, за какого особенного человека вышла замуж: мой партнер мудр, умеет меня поддержать и виртуозно справляется со всем, от управления лабораторией мирового уровня до помощи сыну в строительстве ракеты и подачи документов на регистрацию изобретения в Патентное ведомство США. Еще он готовит потрясающую кесадилью с грибами и прекрасно разбирается в кьянти.

За последние четыре года (и, что говорить, на протяжении всей моей карьеры) мне выпала удача и честь работать с одними из лучших и наиболее выдающихся ученых в мире. В работе моей собственной лаборатории важную роль сыграли старания и отдача бесчисленного множества студентов, постдоков и научных сотрудников, таких как Блейк Виденхефт, Рейчел Хорвитц, Мартин Йинек и соавтор этой книги Сэм Стернберг, – именно они ежедневно проводили эксперименты. За пределами моей лаборатории я получила большое удовольствие от работы с такими светилами научного мира, как Пол Берг и Дэвид Балтимор, которые помогли нам запустить публичное обсуждение редактирования генома, и с потрясающими коллабораторами, такими как Джилл Бэнфилд и Эммануэль Шарпантье, подтолкнувшими меня к исследованиям в новых областях науки.

Да, коллаборации – это смазка для колес научной машины, но соревнование зачастую выступает в роли не менее важного компонента – ключа зажигания для ее двигателя. Здоровое соперничество – естественная составляющая процесса научных исследований, и оно лежало в основе множества величайших открытий человечества. Однако временами меня брала оторопь от того, насколько сильна может быть конкуренция в изучении и использовании CRISPR и как изменилась эта область за годы, став огромным полем, с которым соприкасается буквально любой исследователь-биолог.

Эти два кита науки: конкуренция и коллаборация – определили мою карьеру и сформировали меня как личность. За последнее десятилетие (это бывало и раньше, но теперь проявилось особенно ярко) я стала свидетелем полного спектра человеческих взаимоотношений – от крепкой дружбы до возмутительных предательств. Эти случаи рассказали мне кое-что и обо мне самой, продемонстрировав, что человеку необходимо выбирать, управляет ли он своими амбициями или амбиции управляют им.

Кроме того, я пришла к пониманию того, насколько важно выйти из зоны комфорта и обсуждать науку с людьми за пределами узкого круга специалистов. Общественность относится к ученым с возрастающим недоверием и скептически оценивает их вклад в общество – а значит, скептически относится и к тому, что наука способна описывать и улучшать мир. Когда люди отказываются признавать факт глобального изменения климата, прививать своих детей или настаивают на том, что генетически модифицированные организмы не годятся в пищу людям, это свидетельствует не только о научном невежестве этих людей, но и о том, что коммуникация между учеными и обществом полностью нарушена. То же можно сказать и о движениях протеста против CRISPR, уже зародившихся во Франции и Швейцарии; их участники выступают резко против вероятного создания “дизайнерских детей”[295]. Пока мы не сумеем достучаться до этих людей и им подобных, подобное недоверие будет только расти.

Часть ответственности за этот сбой коммуникации лежит на ученых. Я сама с трудом вытащила себя из комфорта лабораторной среды, чтобы рассказывать о CRISPR, и иногда жалею, что не сделала этого раньше. Я пришла к четкому ощущению, что мы – те, кто занимается наукой, – обязаны активно участвовать в обсуждениях ее применений. Мы живем в мире, где наука глобальна, где материалы и реактивы для исследований распространяют централизованные поставщики, где получить доступ к опубликованным данным проще, чем когда-либо. Нам нужно удостовериться, что обмен знаниями между учеными и неспециалистами осуществляется так же легко, как внутри самого научного сообщества.

Учитывая, как много может изменить редактирование генома в судьбе нашего вида и планеты в целом, открытие каналов связи между наукой и обществом никогда не было настолько важным, как сейчас. Прошли дни, когда жизнь шла исключительно под влиянием медлительных сил эволюции. Мы стоим на пороге новой эры, в которой мы будем главным органом управления генетическим составом организмов и всевозможными проявлениями различных комбинаций генов. Что говорить, мы уже вытесняем глухую, немую и слепую систему, которая в течение многих эпох формировала генетический материал на нашей планете, и заменяем ее на сознательную международную систему направляемой человеком эволюции.

Не сомневаюсь, что мы не готовы нести такую колоссальную ответственность. Но мы не можем и уклониться от нее. Если управление судьбой собственного генофонда пугает вас, подумайте о последствиях ситуации, когда мы будем обладать этой способностью, но окажемся не в состоянии контролировать ее. Вот это действительно будет ужасно – и представить себе нельзя насколько.

Мы должны сломать стену, которая разделяет ученых и остальную часть общества; это разделение провоцирует распространение недоверия и невежества, не нуждающихся в проверке фактами. Если что-то и помешает человечеству принять нынешний вызов, то именно эта преграда.

Я искренне надеюсь, что смогу мотивировать новое поколение ученых более вдумчиво и открыто, чем мои сверстники, обсуждать различные вопросы с неспециалистами и что в дебатах на тему того, как следует использовать достижения науки и технологий, они будут руководствоваться принципом “дискуссия без давления”. Так ученые смогут вернуть доверие общественности.

И улучшения уже заметны. В последние годы движение за открытый доступ к научным статьям добилось того, что множество таких статей оказались в распоряжении любого желающего, и распространение учебных онлайн-курсов делает более доступным и образование – для людей любого возраста по всему миру. Это положительные тенденции, но нужно сделать гораздо больше. Образовательным учреждениям необходимо пересмотреть процесс обучения и подумать, как их школьники и студенты могут применить полученные знания к общественным проблемам. Я работаю над тем, чтобы стимулировать мой университет, одну из ведущих мировых институций, организовывать междисциплинарные встречи, курсы и исследовательские проекты. Создавая для ученых-“естественников”, писателей, психологов, историков, политологов, специалистов по этике, экономистов и прочих возможности совместно работать над реальными практическими задачами, мы повысим наше общее умение объяснить суть собственной работы неспециалистам. Я считаю, что это, в свою очередь, подтолкнет обучающихся мыслить о своей области шире и учиться применять свои знания при решении конкретных задач. Всегда сложнее осуществлять идеи, чем придумывать их, но я чувствую растущий интерес к таким междисциплинарным начинаниям среди коллег. Удивительно, но технология CRISPR, вероятно, поможет поддержать эти начинания, поскольку играет сразу на многих полях, затрагивая науку, этику, экономику, социальные и экологические условия и эволюцию.

Всем ученым независимо от их специализации надо быть готовыми столкнуться с самыми разнообразными последствиями нашей работы – но нам также стоит детально обсудить эти последствия. Мне напомнили об этом на недавнем званом обеде, на котором также присутствовали некоторые из величайших технологических гуру Кремниевой долины. Один из них сказал: “Дайте мне десять – двадцать миллионов долларов и команду умных людей, и мы сможем решить буквально любую техническую задачу”. Ему, очевидно, было кое-что известно о решении технических задач – об этом свидетельствовала длинная череда успешных проектов, – но, по иронии судьбы, описанный им подход не смог бы породить основанную на CRISPR технологию редактирования генома, на создание которой людей вдохновило любопытство в исследовании природных явлений. Для разработки технологии, которую мы в итоге создали, не потребовалось ни десяти, ни двадцати миллионов долларов, зато понадобилось полное понимание химии и биологии адаптивного иммунитета бактерий – темы, на первый взгляд никак не связанной с редактированием генома. Это лишь один из множества примеров важности фундаментальных исследований – научных изысканий ради лучшего понимания природы – и их связи с новыми технологиями. В конце концов, у природы было намного больше времени на эксперименты, чем у человека!

Если вы вынесете какую-то одну мысль из этой книги, то, надеюсь, это будет мысль о том, что нам нужно продолжать исследовать окружающий нас мир, непрерывно ставя научные эксперименты. Чудесные свойства пенициллина никогда не были бы открыты, если бы Александр Флеминг не проводил простые опыты со стафилококками. Исследование рекомбинантных ДНК – основы современной молекулярной биологии – стало возможным только после изоляции разрезающих и копирующих ДНК ферментов из бактерий, обитающих в кишечнике и других очень теплых местах. Быстрое секвенирование ДНК потребовало изучения удивительных свойств бактерий из горячих источников. А мы с коллегами никогда бы не создали мощный инструмент редактирования генома, если бы не задались гораздо менее прикладным вопросом: так как же бактерии борются с вирусными инфекциями?

История CRISPR – это напоминание о том, что прорывы могут брать начало в самых неожиданных местах и что важно позволить желанию понять природу определять ваш путь. Но это еще и напоминание о том, что как ученые, так и неспециалисты несут огромную ответственность за научные работы и применение их результатов. Мы должны продолжать поддерживать новые исследования во всех областях науки, а также полностью принимать необходимость контролировать открытия – и добросовестно осуществлять этот контроль. Причину этому являет история: если мы не готовы к научному прогрессу, это не значит, что его не будет. Каждый раз, когда мы узнаем ответ на одну из загадок природы, он указывает нам на завершение одного эксперимента – и начало множества других.

Дженнифер и Сэм

Написание этой книги было вдохновляющим и непростым опытом для нас обоих, и оно оказалось бы совершенно невозможным без огромной помощи и поддержки, которые мы получили от коллег, друзей и членов семьи.

Мы в долгу у нашего агента Макса Брокмана: он продвигал книгу и с энтузиазмом поддерживал проект с самого начала. Большое спасибо Александру Литтлфилду, нашему неутомимому редактору в Houghton Mifflin Harcourt, за улучшение ранних версий наших длинных (и часто содержащих слишком много технических деталей) черновых вариантов глав и за креативные идеи о том, как подать материалы; с ним было очень приятно работать.

Спасибо всем остальным сотрудникам HMH, сыгравшим роль в публикации нашей книги и представлении ее широкой общественности, особенно Пилар Гарсиа-Браун, Лоре Брейди, Стефани Ким и Мишель Трайант. Трейси Ро проделала фантастическую работу по литературному редактированию текста (и просвещению нас по важным пунктам Чикагского стилистического справочника), стоически вынося все наши предложенные в последний момент правки. Нам невероятно повезло заполучить прекрасного художника, и мы благодарны за тяжелый труд, который Джефф Мэтисон вложил в визуализацию сложных научных концепций на восхитительных рисунках тушью.

Спасибо Мартину Йинеку, Блейку Виденхефту и Джиллиан Бэнфилд за чтение отдельных фрагментов текста и отзывы на них. Меган Хохштрассер оказала нам неоценимую услугу, вычитав окончательный вариант текста. Мы также благодарны всем остальным, кто внес вклад в книгу благодаря персональным обсуждениям и конструктивным комментариям.

К сожалению, обычно в естественных науках (да и во всех научных дисциплинах) невозможно знать имена всего бесчисленного множества людей, внесших вклад в развитие конкретной области исследований. Нам выпала честь принять участие и в развитии биологии CRISPR-Cas, и в совершенствовании основанного на CRISPR редактирования генома – областей, в которых работает множество выдающихся ученых. Все мы, от пионеров генной терапии и отважных первопроходцев биологии CRISPR до современных геномных инженеров, черпали и черпаем вдохновение в невероятной работе, что проделывают вокруг. Мы надеемся, что заинтересованные читатели воспользуются возможностью разделить нашу радость и прочтут некоторые из многочисленных рассказов, статей и книг о CRISPR и редактировании генома.