Почему «нобелевку» за CRISPR/Cas ждали давно
«Матери генетического редактирования» Дженнифер Дудна и Эммануэль Шарпантье получат Нобелевскую премию по химии в 2020 году — спустя всего восемь лет после выхода их статьи о том, что бактериальную систему CRISPR/Cas9 можно использовать для целевого редактирования генома. Несмотря на краткий (для Нобелевского комитета) срок, этой премии мы успели заждаться — то, что после открытия CRISPR/Cas9 жизнь уже не станет прежней, стало ясно давно. Рассказываем, как менялся мир, пока Нобелевский комитет решался присудить Дудне и Шарпантье заслуженную награду — и почему вручил ее именно им.
На церемонии объявления нобелевских лауреатов первый вопрос Эммануэль Шарпантье задает китайская журналистка. Она говорит быстро, пытаясь уложиться в отведенные секунды, и голос ее через маску звучит нечетко и глухо. «Многие ученые перед лицом трудностей обращаются к богу за мудрым советом. А вы — сочетаете химию и религию, когда занимаетесь наукой?» Мы не видим лица Шарпантье — на нобелевской пресс-конференции она выступает по телефону — но слышим на другом конце трубки очаровательный смех. «Я не уверена, что поняла вопрос, — отвечает Шарпантье. — Говорю ли я с богом? Нет».
Упреки за вмешательство в божественный промысел достаются ученым регулярно. Так говорили про первых генетиков, а до них селекционеров — еще до того, как в моду вошла евгеника и идея создать «человека улучшенного». О «неестественности» происходящего говорили, когда появились первые генно-модифицированные организмы и техника ЭКО — дети «из пробирок». Два года назад мы назвали «Игрой в бога» материал о том, как Нобелевские лауреаты по химии 2018 года научились получать новые белки с помощью направленной эволюции в пробирке. Нынешние лауреаты поднялись по лестнице в небо еще выше.
Работа Дженнифер Дудны и Эммануэль Шарпантье, от которой начался отсчет новой эпохи в молекулярной биологии (а затем и медицине), вышла в журнале Science в 2012 году. Суть ее, в двух словах, была такой: систему редактирования ДНК, которой пользуются бактерии, чтобы избавляться от вирусов в своем геноме, можно так доработать, чтобы она разрезала вообще любую, на усмотрение исследователей, последовательность в ДНК. Подробно об устройстве CRISPR/Cas мы не раз рассказывали — например, в материале «Запомните эти буквы» за 2016 год, который, что примечательно, заканчивается словами: «Речь, безусловно, идет о том, кому достанется ближайшая нобелевская премия».
Восторги по поводу CRISPR/Cas начались не сразу. «Вау-эффект был после того, как Джордж Черч и Фэн Чжан показали через полгода, что можно делать редактирование в клетках человека, — вспоминает профессор Сколтеха и университета Ратгерса Константин Северинов. — Но их (Дудны и Шарпантье — N + 1) результат, что можно программируемо вводить раскусы в ДНК in vitro, был тем шагом в сторону, который позволил потом делать все остальное.»
За восемь лет, что прошли с момента публикации статьи Дудны и Шарпантье, «все остальное» с CRISPR/Cas9 уже сделали — как самое страшное, так и самое невероятное. С помощью генетического редактирования мы научились удалять, встраивать и переписывать гены, находить коронавирус в капле слюны, перекрашивать «генетическими ножницами» коров, выращивать устойчивые к патогенам картошку и бананы, лечить болезни крови — и даже создали генетически модифицированных детей.
И, как это часто бывает с хорошими открытиями, система CRISPR/Cas поставила перед нами больше вопросов, чем дала ответов.
Строго говоря, CRISPR/Cas9 не была первой системой генетического редактирования. Вносить направленные изменения в геном молекулярные биологи умели и раньше: сначала — с помощью плазмид и вирусных векторов, которые встраивали нужный ген в ДНК (так были созданы первые ГМО), потом — посредством нуклеаз TALEN и «цинковые пальцы». Но первый метод не позволял работать точно, и зародыши животных с нужными вставками приходилось отбирать из множества неудачных вариантов (что совсем не применимо к людям). Второй метод был куда более точным, но громоздким: для каждого эксперимента «молекулярные ножницы» приходилось конструировать заново.
CRISPR/Cas9 покорила мир своей простотой. «Ножницы», то есть фермент Cas9, во всех случаях одинаковы. Различается только гидовая (направляющая) РНК — нить, комплементарная тому участку ДНК, рядом с которым планируется разрез. Она и служит наводчиком для фермента-ножниц. Таким образом, чтобы поменять мишень, не нужно пересобирать систему — достаточно в пробирке построить короткую РНК нужной последовательности.
«Чтобы, допустим, собрать TALEN, нужно работать три месяца очень плотно, а может и больше, — рассказывает заведующий лабораторией редактирования генома Научного центра имени Кулакова Денис Ребриков, — а CRISPR... сам-то фермент в холодильнике лежит, уже готовый. Направляющую фермент РНК мы делаем за четыре дня. И при этом результат гарантирован. [С TALEN-ом] еще неизвестно, получится за три месяца собрать, или надо будет переделывать. А тут гарантированно».
Простота этого механизма и сделала его многофункциональным. Если разрезать ДНК по двум концам гена, можно удалить его целиком (или какую-то часть). Если подсунуть клетке «заплатку», которую она сможет встроить на это место, можно заменить ген на другой. Если «затупить ножницы», то есть инактивировать Cas9, то можно придать системе и другие функции: например, находить и окрашивать заданные места в ДНК или заменять один нуклеотид на другой, не разрезая цепи (так работают т.н. «редакторы оснований», base editors).
В 2015 году Дженнифер Дудна, как она вспоминает в своей книге «Трещина в мироздании», мечтала о том, как «из неудобочитаемого документа, с трудом поддающегося переводу, геном станет таким же податливым, как фрагмент литературного произведения в руках умелого редактора». Поначалу казалось, что так действительно и произойдет. Но с тех пор стало понятно, что и молекулярный бог не всемогущ.
«Я думаю, что ранний энтузиазм по поводу возможности быстрого применения CRISPR в биомедицине сейчас скорее притушен, — говорит Константин Северинов. — Возникло понимание, что точность неабсолютна, что двухцепочечные раскусы, которые вводили первые CRISPR-ы, могут вызывать большие изменения в геноме, и даже апоптоз („самоубийство“ клеток — N + 1). В этом смысле технологии нового поколения (например, редакторы оснований — N + 1) скорее наоборот пытаются избежать возникновения направленного раскуса, на котором были построены работы Дудны, и показывают скорее, как это обойти».
Но даже в тех случаях, где система CRISPR/Cas9 работает довольно точно, не всегда ясно, как ее применить технически — особенно если речь идет не о лабораторном животном, а о человеке, ради которого — чего не скрывают ни Дудна, ни Шарпантье — вся эта работа и затевалась.
Редактировать отдельные клетки несложно — и это уже пытаются делать, когда речь идет о лечении пациентов с ВИЧ или болезнями крови. Но как быть с целым человеком, в генах которого что-то пошло не так? «Если у вас поражена печень, вам нужно каким-то образом изменить клетки, желательно все, а их там миллиарды или триллионы, — рассуждает Северинов. — Как это сделать — совершенно неясно. Но это не проблема CRISPR, это проблема отсутствия методов эффективной адресной доставки чего бы то ни было в определенные клетки конкретных тканей».
Тем временем, попыток найти решение становится все больше. За восемь лет переписывание ДНК стало рутинной процедурой, инструменты для которой распространились далеко за пределы премиальных лабораторий — есть даже наборы для учебных лабораторных работ. С CRISPR/Cas9 работают по всему миру, от России до Австралии, и даже африканские страны сообщают, что хотели бы редактировать людей, а не ограничиваться животными и растениями. А это порождает уже новую проблему: сможем ли мы вовремя остановиться?
До освоения CRISPR/Cas9 генетическая модификация была делом трудоемким, а в отношении людей — и вовсе невозможным. Наследственность представлялась тяжелой ношей, которую мы не в силах ни изменить, ни облегчить и которую, вместе со всеми ее несовершенствами, нам предстоит тащить до конца жизни и переложить на плечи потомков. С появлением «молекулярных ножниц» на горизонте забрезжила надежда на то, что генетические беды с нами не навсегда и что однажды мы сможем выбрать, какие гены нести с собой дальше. Но для этого нужно будет решиться бросить их раз и навсегда — вырезав из зародышевого генома.
Это совершенно новый уровень вопросов, не на все из которых современная генетика готова дать ответ. Так ли много мы знаем вредных мутаций, которые действительно нуждаются в починке, или заведомо полезных генов? На поверку оказывается, например, что генные варианты, которые повышают вероятность болезни Альцгеймера, повышают и фертильность, защитная мутация от ВИЧ влечет за собой риск заболеть гриппом, а гены высокого роста могут сокращать жизнь. И если в случае с животными ученые еще решаются на смелые эксперименты — например, вырезать одним махом десятки ретровирусов из генома свиньи — то как только речь заходит о людях, боязнь «эффекта бабочки» перевешивает, и мало кто оказывается готов рисковать.
Тем не менее, с самого начала было понятно, что готовые на риск ученые найдутся. С самого начала, как только стало ясно, что CRISPR/Cas9 может работать и внутри клеток человека, Дженнифер Дудну начали мучить кошмары. В своей книге она вспоминает, как сравнивала себя с Робертом Оппенгеймером и доктором Франкенштейном, а однажды во сне ей явился сам Гитлер со свиной мордой вместо лица и вопросил: «Я хочу понять, какие применения есть у этой удивительной технологии, которую вы создали».
Кошмар Дудны стал явью в ноябре 2018 года, когда китайский биолог Цзянькуй Хэ рассказал о том, что при его участии появились первые генетически модифицированные дети. И несмотря на то, что мы до сих пор не знаем (и не исключено, что не узнаем никогда), что стало с их геномами и здоровьем, после этого случая стало ясно, что нужно научиться проводить границу между этичным и неэтичным применением CRISPR/Cas.Тем более, что после скандала с Хэ желающие отредактировать эмбрионы человека не исчезли — так, собеседник N + 1 Денис Ребриков вскоре после скандала с Хэ заявил, что ищет семейную пару с наследственной глухотой, готовую родить генетически-модифицированного ребенка, чем вызвал бурный протест сегодняшних лауреатов. Самого Хэ увлечение нобелевским изобретением Дудны и Шарпантье довело до тюрьмы — сидеть в ней китайскому ученому осталось еще два года.
Несмотря на то, что сама Дудна изначально не была категорически против вмешательств в наследуемый геном человека, она вместе с Шарпантье и другими родителями CRISPR/Cas призвала научное сообщество прекратить подобные эксперименты — до тех пор, пока мы не научимся редактировать геном безопасно и не договоримся о том, как это законодательно регулировать. За два года, что прошли с того времени, научное сообщество договорилось лишь об одном: полностью запрещать редактирование никто не собирается. Но чтобы получить на него разрешение, новому Хэ придется долго доказывать, что его технология безопасна, а «генная хирургия» действительно необходима — и значит, споры о редактировании генома эмбрионов продолжатся.
Многие великие ученые не успевают стать нобелиатами — Нобелевскому комитету не хватает времени оценить последствия их открытий. При том, что иногда между открытием и наградой проходит почти полвека — именно такую историю мы рассказывали пару дней назад, говоря о лауреатах премии по медицине 2020 года: чтобы оценить их вклад в борьбу с гепатитом C, потребовалось, чтобы другие люди научились эту болезнь лечить.
В случае с Дудной и Шарпантье с самого начала было ясно, что процесс пойдет гораздо быстрее. В Википедии есть отдельная страница со списком наград, которые уже получила за свою работу Дженнифер Дудна — с 2012 года их уже 31, не считая Нобелевской премии. «Спустя два-три года [после выхода статьи 2012 года] значение всего этого уже понимали, — вспоминает Денис Ребриков. — Все-таки понадобилось несколько лет, чтобы другие команды повторили и удивились простоте, работоспособности и эффективности. В 2014 году все сказали „вах!“ и пошел вал статей. Можно открыть пабмед, посмотреть график статей с [использованием] CRISPR/Cas: с 14-15 года он идет ракетой вверх, взлетает по экспоненте».
В 2015 году Дудна и Шарпантье уже вошли в прогноз Clarivate Analytics. Как известно, он обычно на несколько лет опережает выбор Нобелевского комитета — и тем не менее, с этого года премии за CRISPR/Cas стали ждать всерьез: с интересом и трепетом.
Интрига здесь состояла не только в том, когда именно Нобелевский комитет «дозреет» — было до последнего момента неясно, кто именно в этом решении будет фигурировать. Как часто, опять же, бывает с великими открытиями, «родителей» у них можно насчитать больше, чем положено по нобелевским правилам.
В своей работе Дудна и Шарпантье только наметили принципы, по которым должны работать «молекулярные ножницы», и опробовали их на бактериях. До реальных побед в мышиных и человеческих клетках их вскоре «докрутили» Джордж Черч и Фэн Чжан, которым не нашлось места в нобелевском списке (их Clarivate Analytics тоже прочил в лауреаты, в 2016-м). Кроме того, параллельно с Дудной и Шарпантье те же самые принципы сформулировала группа литовских исследователей под началом Виргиниюса Шикшниса — со своей статьей они опоздали буквально на несколько недель. Кому из них действительно стоило вручить «материнский капитал» за CRISPR/Cas?
Эти споры шли не только в стенах шведской Академии Наук. Уже несколько лет конфликтуют два клана «родителей» — Калифорнийский университет (в котором работает Дудна), Венский университет и Эммануэль Шарпантье против Института Броуда (который поддерживает интересы Чжана и Черча). Стороны воюют за патент на технологию CRISPR-редактирования генов в клетках эукариот, то есть растений, животных и грибов. Центральная битва, естественно, развернулась в США, но параллельные схватки идут и в других странах. На кону здесь, конечно, не научное признание, а банальная легализация родительских прав в глазах юристов — вместе с которой придут астрономические деньги: CRISPR стал оружием медицины нового поколения, а это, как известно, дело донельзя прибыльное. Европейское патентное бюро заняло сторону Дудны и Шарпантье, в США война продолжается и верх пока одерживает Институт Броуда — в общем, споры о том, кто кому что должен, продолжаются.
Возможно, решение Нобелевского комитета задержали и другие скандалы, связанные с генетическим редактированием. Так, например, Джордж Черч неоднократно говорил о том, что не видит ничего плохого в генетическом «совершенствовании» людей. В США появились стартапы, которые обещали «дизайнерских детей» своим клиентам, а биохакеры начали продавать наборы для «саморедактирования» в домашних условиях. Наконец, после истории с Цзянькуем Хэ многие начали опасаться, что Нобелевской премии за CRISPR/Cas вообще не будет — чтобы не рисковать репутацией Комитета.
И тем не менее, не дать эту премию было нельзя. «Про нее уже очень долго говорили, — соглашается Константин Северинов. — Так долго говорили, что уже устали говорить. Что это революционизировало то, как мы работаем, это было понятно сразу. Представьте, что вы ходили с повязкой на глазах, и вот она снялась».
Нобелевский комитет принял соломоново решение (которое, впрочем, тоже предсказывали многие аналитики): премия за открытие, большинство применений которого лежат в вотчине биологии и медицины, присуждена в области химии. Она высвечивает технологию, оставляя в стороне ее завоевания — равно как и споры об их этичности. И это логично, поскольку клинические успехи CRISPR/Cas еще впереди.
«Им дали, как Бараку Обаме за мир — в существенной степени авансом, — размышляет Денис Ребриков, — но это аванс, который, в отличие от Обамы, точно сработает. Очевидно, что технология крутая, она взлетит. Но сейчас она только на старте».
Куда забросит нас этот взлет, сейчас можно только гадать. Несмотря на свои попытки дистанцироваться от этически спорных тем, в своем пресс-релизе Нобелевский комитет дает недвусмысленный прогноз: «эта технология может сделать нашу мечту о спасении от наследственных болезней реальностью». Можно не сомневаться: это не последняя Нобелевская премия за CRISPR/Cas на нашем веку — если только очередной Цзянькуй Хэ снова не испортит генному редактированию репутацию. Следующие CRISPR-лауреаты (эта гонка сейчас только начинается) будут получать свою премию за физиологию или медицину — и им так же просто, как Эммануэль Шарпантье, от вопроса о боге, возможно, будет уже не уйти.