Все записи
МОЙ ВЫБОР 23:13  /  26.09.16

11727просмотров

Кому достанется Нобелевская премия?

+T -
Поделиться:

Интересно, кому достанется Нобелевская премия по физиологии и медицине в этом году? Скоро узнаем. Обычно объявление лауреатов происходит в начале октября. Например в прошлом, 2015 году ее разделили американский паразитолог, японский микробиолог и китайский врач — за выдающиеся открытия в области лечения малярии и паразитарных заболеваний. Процесс выбора лауреата длительный и сложный, а имена номинантов хранятся в тайне.

Но поразмышлять на эту тему можно, и это весьма увлекательно. Этим мы сейчас и займемся.

Кандидатов много, один достойней другого. Бионические линзы и конечности, имплант в сетчатку в комбинации с визором, возвращающий зрение при некоторых формах слепоты, карта человеческого эпигенома, антибиотик совершенно нового типа, обещающий решить проблему лекарственной устойчивости, трехмерный биопринтер, позволяющий «печатать» некоторые человеческие органы, прорывы в онкологии.

Но мой выбор — это генетика. А именно исследования в области CRISPR/Cas систем. Мне кажется, что по значению — и будущему влиянию на развитие человечества — это сравнимо с открытием двойной спирали ДНК Уотсоном, Криком и Уилкинс или обратной транскриптазы, что привело к обнаружению ретровирусов (например, ВИЧ — это ретровирус) Балтимором, Дульбеко и Тёминым.

Интересующиеся могут посмотреть Нобелевские премии по физиологии и медицине соответственно за 1962 и 1975 годы.

А сейчас я хочу рассказать о CRISPR. Очень вероятно, что именно это открытие получит Нобелевскую премию по физиологии и медицине в этом году.

Вначале, как всегда, история.

В 1987 группа японских ученых скромно изучала генетику бактерии под названием «кишечная палочка» (Escherichia coli). Эта бактерия хорошо известна врачам и биологам. Исследователи обнаружили интересные повторяющиеся последовательности в геноме бактерии. Публикация особого внимания не привлекла, да и сами ученые не придали ей тогда большого значения. В начале девяностых молодой испанский ученый Франсиско Мохика начал свою докторантуру в университете Аликанте в небольшом городе Санта-Пола, на живописном Средиземноморском побережье Испании. Мохика присоединился к группе, изучавшей местный микроорганизм — Haloferax mediterranei — очень древний микроб из группы Архей.

Исследуя фрагменты ДНК, он обнаружил регулярно повторяющиеся палиндромные участки. Ученый назвал это CRISPR (от английского clustered regularly interspaced short palindromic repeats— короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами), произносится КРИСПЕР.

Только, пожалуйста, не пугайтесь и не бросайте читать. А то самое интересное дальше будет. Я вам сейчас все объясню. Представьте себе, что у вас есть коробка одинаковых черных ромбиков. Положите штук шесть-восемь линейкой, на равном расстоянии друг от друга. Это наши повторяющиеся, регулярно расположенные короткие последовательности. А палиндромные — потому что читаем мы их справа налево или слева направо — разницы нет. Ну как в слове «шалаш» или в числовой последовательности 3554553. Только информация в них записана не алфавитом или цифрами, как в привычных нам палиндромах, а молекулярным алфавитом — нуклеотидами. 

  

А теперь представьте, что у вас есть еще и другая коробка — разноцветных кубиков. Кубики хоть и примерно одинакового размера, но все абсолютно разного цвета, двух похожих нет. Возьмите кубики и поместите по одному между ромбиками. Вот так: 

  

Кубики — наши неповторяющиеся участки, а ромбики — CRISPR. Неповторяющиеся участки — разноцветные кубики — назвали спейсерами (spacers). Вся эта конструкция — это только один участок ДНК бактериальной клетки. У этой ДНК есть еще много других участков, ответственных за разные другие аспекты жизнедеятельности бактерии, но нас это сейчас не интересует.

Спейсеры полностью интегрированы в геном клетки и передаются ее потомкам при делении.

Теперь мы можем вернуться в университет Аликанте к работе Франсиско Мохики. Но модель далеко не убирайте.

К 2000 году Мохика описал последовательность CRISPR в двадцати разных микробах, включая возбудителя туберкулеза и чумы. В следующие два года были открыты гены, лежащие рядом с последовательностью CRISPR — их назвали Cas (по английски — Cas, CRISPR Associated)

Возьмите-ка свою модель и положите слева четыре круглые бусины разного цвета и размера. Гены Cas предположительно были функционально связаны с системой CRISPR.

 

Но какова же функция самой системы CRISPR? Как она работает? Зачем она нужна? В 2003 году Мохика делает еще одно открытие, на этот раз касающееся спейсеров. Оказалось, что спейсеры хранят генетическую память бактерии о ее врагах-вирусах. Работа, правда, была по не зависящим от ученого причинам опубликована только через полтора года, в феврале 2005 года. В том же 2005 году еще двое ученых подтвердили это открытие, исследуя другие виды бактерий.

В 2005 году Александр Болотин (наш бывший соотечественник) из французского Национального института сельскохозяйственных исследований описал образование и структуру белка Cas9. Информация об этом белке записана в генах Cas, а работает этот белок как ножницы, точнее, молекулярные ножницы, которые могут разрезать молекулу ДНК.

В 2006 году Евгений Кунин — другой выпускник биофака МГУ, а к тому времени ведущий мировой специалист по эволюционной сравнительной геномике, — работая в NIH (Национальный институт здоровья США), разработал схему, объяснившую работу всей этой системы в бактериальной клетке.

Дальше мне придется перенестись вперед во времени и пропустить много известных имен и блестящих работ, исходящих из разных университетов и разных стран. Суммируя, можно смело сказать, что в развитии знаний о CRISPR участвовали ученые Франции, Испании, Австрии, Швеции, Литвы, США, Канады.

А пока позвольте мне вернуться к нашей модели. Потому что, если мы хотим понять, чем все это может обернуться для медицины или, например, сельского хозяйства, нам надо представлять, как все это работает.

В очень упрощенном виде это выглядит следующим образом: на бактериальную клетку нападает ее враг — вирус. Задача клетки — этот вирус обезвредить. Если клетка (или ее предки) встречались с этим вирусом прежде, то информация о нем записана в клеточном CRISPR. Соприкосновение со «знакомым» вирусом стимулирует определенный спейсер — тот, в котором эта информация хранится. Информация со спейсера считывается обычным способом, то есть формируется маленький фрагмент РНК, он называется крисперная РНК (crRNA). Одновременно включается клеточный механизм синтеза белка Cas9 (наши молекулярные ножницы). CrRNA и Cas9 образуют комплекс. Это смертельный для вируса комплекс. Потому что crRNA узнаёт вирусную ДНК, «прицепляется» к ней, а Cas9 режет ее как ножницами. Поскольку больше нет ДНК, погибает его носитель — вирус. Цель достигнута, вирус обезврежен.

 

Вернемся к нашей истории.

В марте 2011-го на съезде американского Общества микробиологии, проходившем в тот год в Пуэрто-Рико, встретились две женщины — Эммануэль Шарпентьер, француженка, работавшая тогда в Вене, и Дженнифер Дудна, американка из университета Беркли. Обе они, несмотря на молодой возраст, были уже очень известными учеными. Обе работали в разных аспектах исследования CRISPR. Поговорив, они решили дальше работать вместе. Результатом этого сотрудничества был следующий прорыв в понимании механизма действия системы crRNA-Cas9 и синтез этого комплекса. Их работа была опубликована в июне 2012 года. Практически одновременно появилось в печати похожее исследование с похожими результатами. Автор — Виргиниус Шикшнис, Институт биотехнологии Вильнюсского университета.

Дальше на сцене появляется Фэн Чжан. Он действительно — по моим понятиям — только что появился. Фэн Чжан родился в 1982 году. В Китае. К моменту открытий ему не было и тридцати. В возрасте одиннадцати лет он эмигрировал с матерью из Китая в США, штат Айова. Дальше были MIT (Массачуссетский технологический институт), Стэнфорд и Гарвард. Чжан успешно приложил принцип действия комплекса crRNA-Cas9 к клеткам высших организмов. Другими словами, он перешагнул барьер, вышел за пределы бактерий и экспериментально показал, что тот же принцип работает в клетках мышей — и человека! В начале 2013 года Чжан опубликовал свою работу. Несколькими неделями позже похожую работу опубликовал ведущий молекулярный генетик из Гарварда Джордж Чёрч.

Вот и все! Теперь наука и медицина выходят на совершенно другой уровень. Можно синтезировать комплекс CRISPR/Cas9 для любого гена любого организма. Давайте оставим необъятные возможности сельского хозяйства и другие области приложения в стороне. Поговорим о медицине. Можно редактировать геном человека и исправлять допущенные природой ошибки. За последние два года из разных лабораторий мира стали поступать отчеты о работах на грани фантастики, пока в основном на лабораторных животных. Первыми кандидатами на лечение у человека будут болезни, вызываемые определенными известными мутантными генами. Такие как муковисцидоз, мышечная дистрофия Дюшенна, гемофилия, тирозинемия и разные другие моногенные метаболические заболевания.

Для любознательного читателя: при заболевании СПИДом нуклеиновая кислота ВИЧ включается в геном человеческой клетки. Современные лекарства подавляют репликацию (размножение) вируса. Методом CRISPR этот участок можно будет просто вырезать.

В начале 2016 года, используя метод CRISPR, китайские ученые ввели один известный науке ген (МесР2), вызывающий определенную форму аутизма у девочек, в генотип обезьяны и получили предсказуемый клинический результат — развитие симптомов аутизма. Вот вам и модель для изучения аутизма. Правда, эта работа вызвала в научном мире возражения с точки зрения этики.

Я очень надеюсь, что страшная болезнь Хантингтона, вызываемая мутацией одного-единственного гена, будет побеждена. Да и болезнь Канавана тоже, и именно таким способом.

Я надеюсь, что из медицинских учебников начнет исчезать страшное словосочетание «…лечения нет. Смерть наступает...»

За последние два года новые открытия и усовершенствования технологий в этой области посыпались как из ведра. Были открыты другие белки системы Cas, усовершенствованы методы доставки комплекса в клетки, точность приложения комплекса была значительно улучшена.

Медицине открываются поистине фантастические возможности.

Но, как это часто бывает, прорыв в науке сопровождается серьезными этическими проблемами. Ведь от исправления больного гена до улучшения здорового один шаг. И технически этот шаг будет сделать очень просто. И ученых это очень беспокоит. В январе 2015 года в долине Напа, в Калифорнии, Дженифер Дудна собрала совет ведущих мировых специалистов в области молекулярной генетики и геноинженерии. Были приглашены отец геноинженерии, лауреат Нобелевской премии Пол Берг, лауреат Нобелевской премии Давид Балтимор и много других выдающихся ученых.

В своем меморандуме, опубликованном в журнале Science, они рекомендовали запретить клинические эксперименты по генетической модификации человека до тех пор, пока не будут ясны последствия и введены правила. Если среди читателей есть биологи, они сразу вспомнят знаменитую Асиломарскую конференцию 1975 года. По результатам той конференции были приняты правила работы в генной инженерии, введен ряд запретов и мораториев.

Пожалуй, мне пора вернуться к вопросу о том, кто же получит Нобелевскую премию по биологии и медицине в 2016 году, если, конечно, она будет дана за CRISPR.

Тут мне придется добавить ложку дегтя в эту прекрасную историю. Сейчас идет жестокая борьба за приоритеты и происходят разные судебные процессы. Ведь речь идет не только о научной славе и даже Нобелевской премии, но и об очень больших деньгах.

Нам остается только надеяться, что эти процессы не повлияют на решение Нобелевского комитета. А перед ними стоит очень сложная задача. Ведь это открытие — результат работы разных ученых из разных стран в течение двух десятилетий. Ждать нам осталось совсем недолго, 2–3 недели.

 

Любознательных отсылаем к двум замечательным статьям:

1. Eric S. Lander The Heroes of CRISP. Cell 164, January 14, 2016 (c)2016 Elsevier Inc.

2. Harvard University.SITN. CRISPR: A game-changing genetic engineering technique. July 31. 2014

Комментировать Всего 2 комментария

Просто удивительно, как простыми словами  можно описать самые сложные вещи!

Эту реплику поддерживают: Дмитрий Синочкин

Спасибо. Классно. Присоединяюсь к оценке коллеги.