Игра в бога. Level up.
Пять минут занимательной биологии.
С наукой очень много сложностей. Ежедневно выходят тысячи статей, но не все из них основаны на действительно качественных исследованиях. А ещё у учёных не всегда хорошо с понятным и последовательным представлением своих результатов. В общем, и в своей области легко упустить что-то значимое, а я сейчас полезу в далёкую от меня биологию.
Да, где-то в конце будет раздел «Почему это важно?». Если лень читать весь текст, то просто посмотрите последнюю часть.
Речь пойдёт о новой работе в самой хайповой нынче у биологов теме — редактирование генома. Лучше бы это пересказывать какому-нибудь настоящему биологу «со справкой» вроде Аси Казанцевой или Александра Панчина, но попробую как-нибудь справиться.
Disclaimer: автор может что-то перевирать и путаться в понятиях, но постарается сделать так, чтобы это не слишком бросалось в глаза.
Если вы хоть чуть-чуть следите за развитием биологии, то что-то знаете про технологию редактирования генома CRISPR Cas9. CRISPR’ов на самом деле много, но версия Cas9 наиболее популярна. Если же эти аббревиатуры вам ни о чём не говорят, то Википедия поможет вам слезть с дерева и прикоснуться к свежим биологическим фокусам ru.wikipedia.org/wiki/CRISPR
Технология CRISPR для современной биологии штука примерно такая же значимая, как открытие бозона Хиггса для физики. С той лишь разницей, что технология CRISPR поставляет значимые результаты уже сейчас, а бозон Хиггса ещё лет сто будет приносить только гранты.
Если у вас есть острое желание, спустившись с дерева, сразу отложить в сторону дубину и переместиться в бронзовый век, то рекомендую ещё почитать про индуцированные стволовые клетки. К сегодняшней теме они никакого отношения не имеют , но там интересно.
ru.wikipedia.org/wiki/Индуцированные_стволовые_клетки
Собственно, к статье.
В октябре в Nature Medicine вышла статья «Лечение метаболического заболевания печени путём редактирования геномных оснований у живых взрослых мышей» (простите за корявый перевод). И тут стоит сразу обратить внимание на три важных момента.
Во-первых, речь идёт о редактировании генома вполне себе взрослых особей. Задача это куда менее тривиальная, чем подкорректировать организм на ранней эмбриональной стадии, когда там всего организма 2-4-8-16 клеток. Бери и правь.
Во-вторых, речь идёт о редактировании генома клеток печени. И тут стоит вспомнить (тактично оставлю этот глагол), что клетки у нас бывают разные. Некоторые делятся с завидной скоростью. Лишенные фантазии биологи их так и назвали «постоянно (часто) делящиеся клетки». Работать с ними — одно удовольствие. Нет необходимости редактировать упрямую двойную спираль. Зачем, если в процессе деления все важные манипуляции можно сделать с её податливой одноцепочечной версией? Увы, клеток печени всё это не касается. Они относятся к неделящимся клеткам. Точнее к тому их подвиду, который при определённых стимулах делиться может (например, если организм лишился приличного куска печени, и потерю надо восполнить). Но в нормальных условиях клетки печени достигают взрослого состояния и годами выполняют свои функции, оставляя мало шансов поймать их в момент деления и поправить одноцепочечную ДНК классическим CRISPR Cas9.
Отсюда вытекает, в-третьих. Для достижения результата, правки надо вносить в двуцепочечную ДНК. Классический CRISPR Cas9 опирается на разрезание и замену участка одноцепочечной ДНК. Как я понял, попытка провернуть что-то подобное с двуцепочечной приводит к созданию кучи нефункционального фарша внутри клетки. Насколько сложнее внести изменения в двуцепочечную ДНК? Аналогия для айтишников: у вас есть высоконагруженная система, развернутая на железе с прекрасным RAID1 (mirror), и доступ к каждому из дисков на низком уровне. Задача — внести правки и ничего не грохнуть. И да, вы не знаете, куда именно вносить правки, но вам любезно указали, что записано в памяти до и после редактируемого куска. Have fun!
Мышек в статье лечили от фенилкетонурии, точнее от её мышиной версии: похожая мутация с теми же проявлениями и наследованием по аутосомно-рецессивному типу. Фенилкетонурия нарушает выработку одного важного печёночного фермента, позволяющего переваривать белки, не страдая от токсического воздействия финилаланина.
В случае с отсутствием фермента есть ещё и обходной путь. Вместо исправления ДНК исходной клетки можно с помощью вируса доставить в клетку здоровенный кусок специально модифицированной ДНК. Она и будет отвечать за экспрессию необходимых белков (вирусы так и работают), которые в свою очередь восстановят производство нужных ферментов. У обходного пути, однако, есть свои минусы, о деталях которых я лишь смутно догадываюсь (поскольку ленив и ещё один первоисточник читать не стал).
Но авторы свежей статьи решили не искать обходной путь, а фундаментально поправить геном в двуцепочечной ДНК. К счастью, определённые наработки в этом вопросе существуют под общим названием «редактор оснований». Редакторы великолепны! Они «прилипают» к ДНК в нужном месте, которое кодируется соответствующей маской близлежащих оснований, и заменяют пару азотистых оснований A-T на C-G (или наоборот).
Проблема заключается в том, что редактор оснований — это огромная молекула, которую совсем не просто доставить в клетку. К счастью, доставлять саму молекулу и не надо: клетка сама по себе хороший химический завод, так что прислать надо только чертежи и авторитетного начальника, который будет кричать, чтобы всё делали, как написано.
С начальником всё предельно просто, эта схема биологами давно отработана: вирусы прекрасно умеют доставлять в клетки свою ДНК и перестраивать производство под свои задачи (в большей или меньшей степени). Поэтому у вируса отнимают всё колюще-режущее, делая из него персонажа в стиле My little pony, и нагружают чертежами для сборки чего-то интересного биологам. Естественно, есть и любимая подборка вирусов для доставки ДНК-чертежей к разным органам. В случае печени, любимцы учёных — адено-ассоциированные вирусы. Работать с ними легко и приятно, но если бы дальше всё было так просто, то возможно статью бы в Nature не взяли.
Вернёмся к редактору оснований, очень большой и невероятно полезной молекуле. Молекула эта настолько велика, что и инструкция по сборке получается очень большой. Нет, невероятно огромной её назвать нельзя, но запихнуть столько инструкций в один вирус-флешку не получается. Ок, оказывается, и у этой задачи есть решение. Делаем классический многотомный (хватило двух) архив и заливаем туда инструкции. Да, современные биологи так умеют! Нет, я тоже об этом раньше не знал.
Как устроена разбивка на тома в биологии? С нарезкой, видимо, всё относительно просто. Располовинить здоровую молекулу ДНК в лабораторных условиях и прикрепить что-нибудь на концы — задача почти тривиальная (даже если я понятия не имею, как они её решают). Вывести две линии вируса, нагрузив каждую соответствующей половинкой инструкции, - тоже вполне решаемо. Но вот на месте (в клетке печени) всё это надо снова собрать воедино. Увы, нельзя просто скормить клетке две половинки инструкции и ждать появления величественного редактора оснований. Хорошо... Значит, нужен самораспаковывающийся многотомный архив! В биологии так тоже можно: на местах разреза ДНК-инструкции прицепляем сегмент последовательности интеина (про него смотрите английскую wiki), при встрече в клетке печени сегменты интеина соединят две части ДНК, доставленной вирусами, и благополучно отвалятся, не оставив ни следа. Как же не хватает такой технологии в макромире! Всё, ДНК-схема собрана, клетка произведёт редактор оснований, он исправит ДНК самой клетки, которая восстановит нормальную экспрессию необходимых белков, чтобы клетка могла производить правильный фермент, а модельная лабораторная мышка из специальной генетической линии перестанет страдать от фенилкетонурии и приобретёт здоровый чёрный цвет… в доме который построил Джек.
Ещё раз! Следите за руками! Для внесения изменения в ДНК неделящейся клетки, в ней требуется собрать редактор оснований. Редактор, который должен содержать в себе описание последовательности оснований, окружающих редактируемое место. Своеобразный шаблон (см. сказку о Золушке), по которому он найдёт нужный участок ДНК и заменит его. Сконструировав (виртуально) этот редактор оснований, учёные создают молекулу ДНК, содержащую инструкцию по сборке этого редактора. И тут начинается решение проблем с логистикой. ДНК-инструкцию режут пополам, прикрепляя но концы фрагменты, которые сами на месте всё соберут и починят. Каждую половинку ДНК встраивают в свою линию вируса, а вирусы выращивают в количестве, достаточном для достижения терапевтического эффекта. Вирусы с полезной нагрузкой вводя в кровеносную систему мышей и наблюдают за результатом.
Мне не хватает знаний для корректной интерпретации результатов, но, кажется, замена ДНК удалась как минимум на 25%. Для восстановления производства фермента и этого достаточно, все сто процентов мощностей редко востребованы.
Почему это важно?
Почему я зацепился именно за эту статью?
Часто проскакивают новости об обнаружении очередного гена, отвечающего за что-то очень важное: вероятность появления нейродегенеративных заболеваний, сердечно-сосудистые заболевания, синтез меланина волосяными фолликулами после 50 лет и т.п. И большая часть этих новостей не более чем занимательные факты, не имеющие к ныне живущим прямого отношения. Даже если вы слышали о CRISPR Cas9 и генной терапии, то припоминаете, что речь там обычно шла о регулярно обновляющихся клетках. Увы, и нервные клетки, и клетки сердечной мышцы относятся к неделящимся, а, значит, нам предстоит жить с той версией, какая есть.
Предстояло... Что-то начинает меняться! Пока это только опыты на мышах. И после каждого эксперимента учёные, скрестив пальцы, пытаются убедиться, что правки генома затронули только корректируемый участок. В нашу жизнь эти технологии придут лет через 20-40. Так что заботьтесь о своём здоровье, берегите себя, и у вас появится шанс дотянуть до чего-то очень интересного.
Обзор статьи на n+1: nplus1.ru/news/2018/10/09/split-editor
Статья в Nature Medicine: www.nature.com/articles/s41591-018-0209-1
Если вы любите полистать полный текст, то и сами должны знать, что такое Sci-Hub ;)
Дочитали? Спасибо! Не ожидал) Комментарии приветствуются, не зря же я убил полдня на этот текст и работу с источниками. Про ошибки и неточности пишите в ЛС.
