You are here

Драйвом по вектору

«Вектором» в биологии называется организм, который сам по себе не вызывает болезнь, но переносит патогены от одного хозяина к другому. Классическим примером вектора является всем известный комар вида Анофелес, который переносит от человека к человеку смертельный малярийный плазмодий.

Насчет смертельного – не преувеличение. По данным ООН в последние годы число заболевших малярией людей устойчиво держится на уровне 700-800 млн в год, а число умерших – 0.7-1.7 млн (в основном, это африканские дети в возрасте до 15 лет). Малярия остается эндемической болезнью в 100 странах мира. Вакцина против нее не найдена и длительный иммунитет против нее не вырабатывается. Все это делает борьбу с малярией весьма затруднительной. До последнего времени эта борьба ограничивалась попытками химического воздействия на комаров-переносчиков плазмодия и разработкой средств механической защиты от их укусов.

С появлением в последние годы новых методов генной инженерии такая возможность стала реальной. Однако путь к ее осуществлению оказался долгим. Началось с того, что в 2003 году британский ученый Остин Барт показал, что для быстрого распространения нужного гена по всей популяции можно, в принципе, использовать тот же механизм, который используют т.н. транспозоны в ДНК.

Тут мы должны немного углубиться в биологию. Транспозоны – это те участки ДНК, где в нее когда-то в древности внедрились гены вирусов или бактерий. За миллиарды лет эволюции их в любом организме накопилось великое множество – в нашей ДНК, к примеру, они занимают 45% ее длины! Многие из этих генов, увы, мобильны, то есть сохраняют способность пересаживаться в другие места ДНК.

Вот как это происходит. Представьте себе такой ген-транспозон. Вот он сидит в каком-то месте ДНК, справа к нему примыкает какой-то участок А, слева - какой-то участок В. Ген-транспозон, как всякий ген, производит программу на построение какого-то определенного белка. В случае мобильного гена-транспозона это такой белок, который предназначен разрезать ДНК в строго определенном месте (такие белки называются нуклеазами), а именно – там, где тоже встречаются рядом участки А и В, только без транспозона между ними.

Вы уже догадались, что происходит? Правильно - белок, произведенный транспозоном, сидящим между А и В, разрезает ДНК в другом месте, где А и В стыкуются напрямую, без транспозона. И туда, естественно, тут же устремляются т.н. «ремонтные» белки, задача которых - «залатать» разрез. Оказывается, природа устроила так, что эти белки могут действовать двояко: либо просто «пришить» А к В, либо вставить между ними какую-нибудь подходящую вставку, которая удачно состыкуется с А по одну свою сторону и с В по другую. И тут к месту действия «подтягивается» наш транспозон и радушно предлагает себя ремонтным белкам в качестве такой «заплаты». Ну, что может быть лучше?! Ремонтные белки, недолго думая, копируют этот транспозон на место разреза и, довольные сделанной «заплатой», удаляются восвояси, не понимая, что помогли транспозону встроиться в ДНК еще в одном месте.

А теперь вернемся к борьбе с комарами. Комары относятся к тому типу существ, которые размножаются половым путем. Мы тоже такие. У всех у нас, как вы знаете, в каждой клетке все ДНК представлены парами - одна от мамы, одна от папы, так что каждый ген у нас тоже представлен дважды – отцовским вариантом и материнским; как говорят биологи, у нас есть отцовская «аллель» любого гена и его материнская «аллель».

В общем случае эти аллели не одинаковы. Естественно, ведь генеалогия отца и матери не одинакова: предки отца могли за время эволюции приобрести какую-нибудь мутацию или транспозон, которого не приобрели предки матери (и наоборот). Вот и представим себе случай, когда эта неодинаковость («гетерогенность») выражается в том, что в одной из ДНК пары между участками А и В сидит мобильный транспозон, а в другой ДНК его нет. Понятно, что этот транспозон вышеописанным образом вставит себя также во вторую ДНК, и тогда организм из гетерогенного станет гомогенным (то есть обе аллели в данном месте ДНК станут у него одинаковы).

Так вот, если такое произойдет в клетках зародыша, это может оказать серьезное, зачастую вредное влияние на потомство, потому что некоторым клеткам зародыша суждено впоследствии стать половыми, т.е. из них возникнет потомство следующего поколения, и тогда оно обязательно получит. Ведь теперь обе ДНК одинаковые, обе имеют транспозон, значит - как бы ни разошлись эти ДНК в следующем поколении, вредный транспозон получат все потомки.

Получается, что транспозону – с помощью нуклеазы – удалось изменить процесс наследственности: раньше его вероятность попасть или не попасть к тому или иному потомку была 50 на 50, а теперь стала на все 100%. Иными словами, с помощью нуклеазы транспозону, этому гену-эгоисту, удалось создать наследственный «драйв» в сторону своего преимущественного распространения (в ущерб другим генам, не-транспозонам).

Этот процесс получил у биологов название «ген-драйв», и Барт придумал, как можно этот в общем-то вредный процесс поставить на службу нашему здоровью, обратив его против малярийных комаров. Общая его идея, как вы уже наверняка понимаете, состояла в том, чтобы найти какую-нибудь мутацию, обезвреживающую (например, посредством стерилизации) этих злодеев рода человеческого, «засунуть» ее в ДНК нескольких комаров, а затем, с помощью вышеописанного ген-драйва распространить на все комариное потомство.

Увы, идея Барта натолкнулась на препятствие. Обнаружилось, что те нуклеазы, которые обслуживают свои транспозоны, не подходят для борьбы с Анофелесом, потому что их трудно направить на разрезание ДНК в других ее местах, пригодных для включения других генов, не-траснпозонов, которые действовали бы нужным образом на малярийных комаров. Но идея тем не менее была такой соблазнительной, что исследователи стали пробовать реализовать ее с помощью других молекул, т.н. «цинковых пальцев», тоже способных разрезать ДНК и вставлять в них нужные гены. Эти молекулы имеют вид двух отростков, между которыми сидит атом цинка; отростки цепляются за два каких-нибудь места ДНК и подтягивают их друг к другу, а потом цинковый центр их разрезает и, грубо говоря, вставляет кусок одной в разрез другой. Но и эти молекулы не оправдали возложенных на них надежд, потому что точность их разрезания оказалась недостаточно высокой. Но вот везение - аккурат в этот момент на помощь ученым пришел «криспер».

Словом «криспер» (от английского CRISPR) называется, как я уже писал недавно, иммунная система бактерий, особым образом отражающая атаки т.н. бактериофагов. Эта система запоминает кусочки ДНК ранее вторгавшихся в нее бактериофагов, и как только очередной такой паразит внедряет в бактерию свою ДНК, чтобы там размножаться, «криспер» производит специальную «направляющую молекулу» (по-английски crRNA), свою для каждого вида бактериофагов, которая опознает «родственное» ей место в его ДНК. К этой направляющей молекуле «криспер» присоединяет специальную нуклеазу типа Cas9, которая обладает замечательной способность разрезать ДНК в любом указанном ей месте.

Дальнейшее понятно: когда crRNA опознает родственное место в ДНК патогена, она прикрепляется к нему, нуклеаза тут же разрезает патогенную ДНК в этом месте и «вуаля!» - угроза заражения бактерии устраняется. Поскольку комплекс crRNA/Cas9 можно «наводить» на любое место ДНК, была бы нужным образом подобрана наводящая молекула, то, доставляя в это же место еще и нужный ген, можно (с помощью все тех же «ремонтных белков») вставить этот ген в сделанный нуклеазой.

Не знаю, как вы, но ученые, открыв для себя возможности «криспера», пришли в лихорадочное возбуждение. В самом деле, этот метод генной инженерии отличается не только высокой точностью, но и невероятной гибкостью, а в применении так прост, что с его помощью, как говорят иные комментаторы, любой аспирант-биолог, пользуясь самой простой аппаратурой и работая в гараже, переоборудованном под лабораторию, может за считанные недели произвести пересадку желаемого гена в желаемое место.

Естественно, что открытие и внедрение произвело подлинный переворот в биологии: в 2014-15 гг. этот метод генной инженерии породил сотни соответствующих работ, среди которых был ряд фундаментальных достижений (например, «исправление» сразу 62-х генов у свиных зародышей и нескольких генов – у эмбрионов человека).

И понятно, что «криспер» позволил ученым вернуться также к идее «ген-драйва». В начале декабря 2015 г. в журнале Nature Biotechnology появилась статья Барта и его коллеги, которые сообщили об успешной пересадке с помощью этого метода малярийным комарам вида Гамбиа такого гена, который резко понижает плодовитость комариных самок. Пересаженный комарам отобранной исходной группы, этот ген превратился в «ген-драйв», который, благодаря половым контактам исходных комаров с остальными сородичами, стал эффективно распространяться по всей комариной популяции в инсектарии.

И вот что значит слово важнейшее здесь слово «эффективно»: если судить по лабораторным результатам, этот ген способен за считанные дни перейти к 90% всех комариных особей данного вида в инсектарии! А группа калифорнийских профессоров Ганца и Джеймса почти одновременно опубликовала в журнале PNASа еще более потрясающие результаты: в их опытах (в которых аналогичная пересадка драйв-генов была сделана не только исходной группе комаров, но также группе плодовых мушек-дрозофил) распространение пересаженных генов снизило стерильность у 97% популяции!!

Как пишут авторы первого исследования, практическое применение их методов в реальных условиях представляется им достаточно безопасным, поскольку вид Гамбиа – один из 800 в данной местности и потому его подавление не должно вызвать серьезных экологических последствий. С другой стороны, они предостерегают, что потребуются еще дополнительные исследования, чтобы предотвратить (теми же методами крисперной гено-инженерии) появление среди комаров данного вида резистентности к драйв-гену. А с третьей стороны, пишут они, этот метод может оказать услугу человечеству и во многих других областях, кроме борьбы с малярией - например, в сельском хозяйстве, где с его помощью можно будет подавлять распространение агрессивных вредных видов разных насекомых или обращать вспять их резистентность к пестицидам и гербицидам. И действительно, соответствующие работы уже начали появляться в журналах, но рассказ о них потребовал бы больше места, чем то, которым мы располагаем.
Поэтому закончим на сказанном.

Рафаил Нудельман
"Окна", 21.01. 2016