Книга: Наука воскрешения видов. Как клонировать мамонта

Какие части генома мы должны отредактировать?

Какие части генома мы должны отредактировать?

Именно редактирование генома, а не клонирование путем ядерного переноса и не искусственное одичание можно считать наиболее вероятным путем возрождения исчезнувших признаков, а также вымерших видов (в зависимости от того, с какой степенью точности мы будем определять понятие вида). Но с чего начать? Вероятно, ответ на этот вопрос будет зависеть от конкретного проекта по возрождению вымершего вида.

Если наша цель – создать слона, который сможет пережить сибирскую зиму, значит, нам нужно изменить это животное, приспособившееся к жизни в тропиках, таким образом, чтобы оно хорошо себя чувствовало при лютом холоде. Более длинная и густая шерсть определенно поможет в этом, равно как и гемоглобин, более эффективно переносящий кислород при низких температурах. Но какие еще признаки нам нужно создать? Существуют ли иные способы повысить эффективность, с которой слон поддерживает температуру своего тела? Существуют ли еще какие-то не учтенные нами потребности в энергии, актуальные для животных, обитающих в Арктике? Существуют ли какие-то адаптации системы пищеварения, необходимые слону для того, чтобы питаться растительностью Сибири? Нужно ли нам воссоздать морфологические изменения, которые позволят слону выкапывать растения из-под снега? Понадобится ли изменить иммунную систему слона таким образом, чтобы он смог защититься от патогенных микроорганизмов, которые не встречаются в тропиках? Все это хорошие вопросы, и мы пока не нашли на них ответов, не говоря уже о том, чтобы определить целевой ген или набор генов, который мы смогли бы секвенировать и проверить на предмет специфических для мамонта изменений, которые мы хотели бы воссоздать.

В ближайшем будущем исследование генома слона вряд ли будет в приоритете в научном мире, а значит, нам не скоро удастся узнать, как расположены все гены, за что они отвечают и как взаимодействуют друг с другом. Но если мы действительно хотим склеить мамонта по кусочкам путем редактирования генома, эта информация будет иметь критическое значение. С учетом того, как много еще остается неизвестным, возможное решение состоит в том, чтобы изменить все нуклеотиды в геноме слона, отличающиеся от генома мамонта. В этом случае у нас будет меньше шансов проглядеть какое-либо существенное различие или взаимодействие генов. Но в этом случае нам понадобится внести множество изменений. Если считать, что расхождение линий мамонта и индийского слона от их общего предка произошло около 4 миллионов лет назад и шло примерно с такой же скоростью, как у других млекопитающих, можно ожидать, что у этих двух видов обнаружится около 70 миллионов генетических отличий (такой же порядок, как в случае человека и шимпанзе). Нам нужно будет отредактировать менее 2 % генома слона, однако 70 миллионов изменений – это очень много.

Как же мы внесем эти изменения? Во-первых, нам нужно выяснить, что именно мы должны изменить. Множество (если не большинство) различий между геномами индийского слона и мамонта, вероятно, можно определить, секвенировав и собрав оба генома, выстроив их друг рядом с другом и просканировав на предмет отличающихся участков. Поскольку мы знаем, что секвенировать и собрать полный геном мамонта нам не удастся, мы уже столкнулись с первой трудностью такого подхода. Проигнорируем эту проблему, и тогда следующим шагом нам нужно будет спланировать изменения каждого специфического участка слоновьего генома с помощью инструментов для редактирования генома. Если считать, что для каждого изменения понадобится своя cгРНК (CRISPR РНК, или cгРНК, – это часть системы CRISPR-Cas9, которая находит участок генома, подлежащий изменению, и связывается с ним), то нам понадобится создать и поместить в клетку 70 миллионов различных cгРНК. Однако ученые в лаборатории Джорджа Чёрча совершенствуют технику введения в клетку все более длинных фрагментов ДНК, что, возможно, позволит заменять множество азотистых оснований за один раз. Предположим, что эту технологию существенно улучшат, и с помощью каждой cгРНК мы сможем делать, в среднем, 10 изменений. Это снизит число нужных нам cгРНК примерно до 7 миллионов.

Работая над гемоглобином мамонта, команда воскресителей из лаборатории Джорджа Чёрча разработала две cгРНК для внесения трех изменений в ген гемоглобина (одна cгРНК вносит одну правку, а вторая – две). Редактирование ДНК слона происходит в три этапа. Во-первых, нужно доставить в клетку все необходимое для редактирования генома – cгРНК, Cas9 (молекулярные ножницы) и участок ДНК мамонта. Во-вторых, cгРНК должны обнаружить участок генома, который нужно вырезать. В-третьих, механизмы клеточной репарации должны вставить на это место мамонтовую версию соответствующего гена.

Поскольку воскресители мамонта осуществили этот эксперимент, с помощью их результатов можно оценивать общую эффективность процесса вырезания и вставки. Другими словами, можно спросить, какова была доля отредактированных клеток слона, в которых успешно произошли все три изменения? Воскресители мамонта обнаружили, что эффективность разных cгРНК в обнаружении нужной части генома (этап «вырезания») отличается, равно как и эффективность механизмов клеточной репарации в починке каждого разрыва нужным нам образом (этап «вставки»). По их оценке, в этом эксперименте эффективность одной из их cгРНК составила 35 %, а второй (вносящей два изменения) – 23 %. Это означает, что все три изменения удалось внести только в 8 % клеток.

Даже если бы нам удалось уменьшить число cгРНК, которые нам нужно создать, до, скажем, 100 штук (намного меньше сделанной выше оценки в 7 или 70 миллионов) и мы бы оптимистично предположили, что эффективность каждой из них составит около 30 %, это означало бы, что нам нужно изменить как минимум 5?1053 клеток, чтобы получить всего одну, в которой будут одновременно присутствовать все 100 изменений. Это очень большое число. Чтобы как-то представить его себе (хотя представить что-то в таком масштабе очень трудно), имейте в виду, что, по оценке ученых, в человеческом теле около 40 триллионов (4?1013) клеток, а на всей Земле насчитывается 7,5?1018 песчинок.

К счастью, возможно, нам удастся ограничить число необходимых изменений, не прибегая к целевому отбору признаков. Во-первых, некоторые специфические для вида отличия, которые мы наблюдаем, сравнивая отдельный геном индийского слона с отдельным геномом мамонта, не будут прослеживаться в масштабе всех слоновьих и мамонтовых геномов. Вначале кажется, что эти участки отличаются у мамонта и слона, потому что для сравнения у нас есть только по одному представителю каждого вида. Но если перед нами будет множество геномов слонов и мамонтов, мы заметим, что некоторые изменения не зафиксированы в геномах этих видов, но варьируют в их популяциях. Поскольку не у каждого мамонта и не у каждого слона присутствуют эти отличия, можно заключить, что не из-за них мамонт (или слон) выглядит и ведет себя как мамонт. Следовательно, мы можем исключить эти участки из нашей работы по редактированию генома.

Еще один способ ограничить число нужных правок заключается в том, чтобы вносить только те изменения, которые относятся к генам. Геном имеет огромные размеры, и только малая его часть (к примеру, у человека – около 1,5 %) состоит из генов, кодирующих информацию о белках, в то время как вся остальная часть представлена другой ДНК, не кодирующей ничего. Поскольку гены кодируют информацию о белках, а из белков складывается фенотип, наиболее важные генетические различия между двумя видами, вероятно, лежат непосредственно в последовательностях генов.

Удивительно, но эта стратегия имеет некоторые недостатки. К примеру, нам неизвестно расположение всех генов в геноме мамонта, и для их обнаружения придется строить догадки, основываясь на имеющейся у нас информации (сравнении с более детально изученными геномами), и даже в этом случае нам, возможно, не удастся найти все гены. Кроме того, сосредоточившись только на тех отличиях, которые касаются генов, мы рискуем пропустить важные расхождения в некодирующей части генома, которые могут, к примеру, влиять на то, когда и насколько сильно экспрессируется ген. Различия в экспрессии генов способны привести к появлению разных фенотипов, даже если сама последовательность генов абсолютно одинакова.

Не исключено, что в этом случае нам понадобится внести в геномную последовательность все возможные изменения. Джон Чёрч считает, что вскоре это станет осуществимым на практике. Он считает, что ключ к решению в том, чтобы уменьшить число cгРНК, вырезая и вставляя длинные (очень-очень длинные) фрагменты ДНК. Вместо того чтобы вносить всего несколько изменений при помощи одной cгРНК, мы сможем делать тысячи, если не десятки тысяч, изменений за один раз. Уже сейчас группа Джорджа в состоянии синтезировать нити ДНК длиной в 50 тысяч спаренных оснований. Хотя точность таких длинных синтетических цепочек все еще далека от идеала, технология совершенствуется, в то время как ее стоимость падает. Если бы нам удалось синтезировать весь геном мамонта, скажем, кусками по 100 тысяч пар оснований, то мы могли бы вырезать и вставить весь геном мамонта внутрь генома индийского слона при помощи менее чем 350 cгРНК.

Однако 350 – это все еще очень много, и, исходя из вышеописанной логики, нам понадобилось бы до нелепости огромное число клеток, даже если бы все эксперименты по вырезанию и вставке имели исключительно высокую результативность. Однако логика, изложенная выше, не особенно логична, и она не учитывает то, как мы будем проводить этот эксперимент в реальности. Вместо того чтобы попытать счастья, рассчитывая, что 100 (или 350) маловероятных событий произойдут одновременно, мы будем проводить эксперимент поэтапно, внося несколько изменений и оценивая результат, а затем добавляя еще несколько изменений в те клетки, которые удалось успешно отредактировать, и т. д. Эксперимент все равно будет очень трудным, и на его завершение все равно потребуется много времени, однако при таком подходе результат в принципе достижим.

Сейчас нам неизвестна полная геномная последовательность мамонта. Однако есть вероятность, что мы выясним большую ее часть в течение нескольких лет. Пока что мы не можем отредактировать геном индийского слона таким образом, чтобы он полностью соответствовал геному мамонта. Эта технология также совершенствуется. На самом деле технологии, необходимые для этого конкретного этапа возрождения вымерших видов, вероятно, прогрессируют быстрее всего.