Генный драйв и CRISPR: история, потенциал и стартапы

Скоро изменится сама природа человеческой расы. Эти изменения будут радикальными и быстрыми – таких в истории нашего вида еще не было. Только что закончилась одна глава нашей истории и начинается следующая.

Революция существования людей станет возможной благодаря новой генетической технологии с безобидным названием CRISPR (произносится как «криспр»). Многие читатели уже могли встречать это название в новостях, и скоро его подхватят другие мейнстримные медиа. CRISPR – аббревиатура от Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats (короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами). CRISPR для геномики – то же самое, что и vi (визуальный текстовый редактор в Unix) для ПО. CRISPR – это технология редактирования генома, которая дает генным инженерам беспрецедентные возможности: она превращает их в генных хакеров. До появления CRISPR генная инженерия была медленной, дорогой и неточной. Теперь же редактирование генома можно будет выполнять дешево, точно и воспроизводить результаты.

Этот текст – очень не-технический пересказ истории развития CRISPR. Также мы поговорим о Gene Drive [1], биологическом методе, который при использовании вместе с CRISPR дает генным инженерам еще больше возможностей. Ниже я добавил несколько ссылок для тех, кому интересно углубиться в эту тему – по ним можно почитать о технических подробностях. В конце я кратко расскажу о последствиях и перспективах этих технологий.

Кратко рассмотрим вводную информацию. Генетический код, описанный в ДНК, можно рассматривать как ПО, которое порождает всевозможные формы жизни, существующие на нашей планете. Генетики изучают методы расшифровки генома, но все затрудняет тот факт, что у них очень мало возможностей для изменения этого кода. Для сравнения – представьте, если бы у разработчиков ПО был доступ к огромному количеству чрезвычайно мощных программ, которые они едва понимают, и код которых не могут изменять. Но если возможность редактировать код появится, и ученые смогут модифицировать «генетическое ПО», то исследованиями можно будет заняться всерьез. У инженеров появится возможность не только изменять код, но и исправлять и улучшать его. Снова появятся хакеры.

Понять эту удивительную технологию будет проще, если узнать где она появилась. В 1980-х ученые из университета Осаки секвенировали ДНК бактерии E Coli и заметили нечто странное. ДНК состояла из длинных цепочек нуклеотидов, а внутри нее были повторяющиеся кластеры странных последовательностей нуклеотидов, которые находились не на своих местах. Они выглядели так, будто они прерывались случайными цепочками ДНК. Со временем подобные кластеры были обнаружены у нескольких других бактерий и получили название CRISPR (это название вполне емко описывает то, что обнаружили ученые). Впрочем, тогда никто не знал что это и каковы функции этой находки.

Существует несколько открытий, которые давали ученым ответы на эти вопросы, но стоит выделить два самых важных. Во-первых, три разные команды недавно использовали свежие базы данных генетического материала и заметили, что эти цепоки CRISPR похожи на необычную вирусную ДНК. Во-вторых, гениальный биолог-эволюционист из Национального центра биотехнологической информации Евгений Кунин критически пришел к заключению, что это бактериологический механизм защиты от вирусов. В итоге эта идея привела к формулированию предназначения CRISPR.

Мы, люди, постоянно сражаемся с различными бактериями и вирусами, так что для нас может быть неожиданным тот факт, что сами бактерии и вирусы миллиарды лет борются за собственное выживание. Каждый день триллионы и триллионы бактерий убиваются вирусами (вирусы, атакующие бактерии, называются фагами). Большинству людей удается справляться со своими фагами, во многом благодаря тому «вооружению», которое у нас появилась после многих тысяч лет эволюции – иммунитету. Оказывается, что CRISPR – очень эффективное оружие, которое может быть использовано в иммунной системе.

Позвольте мне прояснить один момент во избежание путаницы. Ранее мы говорили о том, что CRISPR – это описание определенных необычных цепочек ДНК. Чтобы использовать эти цепочки в качестве защитного механизма или для редактирования генома (об этом поговорим дальше), необходим инструмент, который называется Cas. Если будете читать о Cas-белках, вы можете также встретить упоминания Cas9 (или Cas3 и т.д.). Полный набор этих инструментов иногда называют CRISPR/Cas, но обычно говорят просто CRISPR, и я придерживаюсь именно этого термина.

Обсудим как все это работает. Когда бактериям, обладающим CRISPR, удается отбиться от атак вирусов, они используют белки Cas для захвата фрагментов вирусной ДНК и вставляют эти фрагменты в свою ДНК. Если вирусу не повезет напасть на столь хорошо подготовленную бактерию, то эта самая бактерия использует цепочку CRISPR как паттерн для распознавания вируса и использует Cas для того, чтобы раздробить вирус на безобидные частицы.

Это очень крутой механизм. Белки Cas копируют вирусные гены CRISPR из собственной ДНК в молекулы РНК (как и ДНК, РНК очень важна для записи структуры генома), за счет чего формируется структура, состоящая из Cas-белка и РНК. После своего создания эта структура начинает блуждать по клетке. Когда эта структура сталкивается с другой молекулой, она проверяет есть ли в ней ДНК и при обнаружении считывает нуклеотидную последовательность. Если эта последовательность соответствует хранимой цепочке CRISPR, то произошла встреча с известным вирусом. Затем РНК захватывается и ферменты CAS расщепляют вирусную ДНК подобно гильотине (или убивают ее, если вам хочется считать вирусы живыми). Если для вас все это звучит как некий иммунологический алгоритм, реализованный сущностями из биологии, то вы в целом правы:

CRISPR.блуждать() //пока не встретится другая молекула
    если (новая молекула содержит ДНК и ДНК совпадает с CRISPR.ДНК)
        CRISPR.cas9.захватить() //захват нового вирусного ДНК
        CRISPR.cas9.уничтожить() //убить вирус
продолжить

CRISPR.wander() - until encounter another molecule
        If (new molecule contains DNA and DNA matches
            CRISPR.dna) CRISPR.cas9.grab() // nab the viral dna
            CRISPR.cas9.chop() // kill the virus!
    continue

Круто, не правда ли? Расшифровка этой загадки могла бы принести ее автору докторскую степень или сделать доцента профессором, но теперь за нее можно получить даже Нобелевскую премию – ведь мы говорим об открытии, которое может изменить судьбу человечества. Все дело в том, что над ним независимо работали несколько разных команд (и теперь они соревнуются между собой [2]), и на каждую из этих команд снизошло невероятное озарение. Они поняли, что иммунная система, появившаяся в результата в результате миллионов лет эволюции может совершить революцию в генной инженерии. Если у ученых появится возможность использовать механизм CRISPR, то они смогут точно выделять и вырезать отдельные фрагменты ДНК. Более того, с помощью CRISPR и двух разных белков Cas9, они смогут точно вырезать целые сегменты из произвольных структур. Конечно, это лишь половина задачи редактирования генома. После удаления нежелательной последовательности на ее место нужно будет вставить те гены, которые нам нужны. Как оказалось, это очень просто. Достаточно просто ввести ген(ы), которыми вы хотите заменить удаленные фрагменты, и уже существующие ферменты восстановления сами все соберут.

Одна из самых классных особенностей CRISPR заключается в том, что эта технология универсальна (в отличие от большинства уже существующих методов редактирования генома — они работают с ограниченным множеством организмов). Теоретически, CRISPR может работать с любыми (земными) формами жизни.

Давайте минутку подумаем над тем, сколько всего хорошего может сделать CRISPR для будущего человечества. Мы сможем нейтрализовать своих врагов в животном мире. Мы сможем лечить генетические заболевания. Возможно, мы сможем разработать терапию против любых вирусных или бактериологических болезней, причем эта терапия будет индивидуальной и исключительно эффективной. Может быть, нам даже удастся найти лекарство от рака. И (или, возможно, следует сказать «но») у нас появится возможность создавать людей «по индивидуальному заказу», или, если уж на то пошло, любые другие формы жизни.

Такова CRISPR – самая мощная из когда-либо созданных технологий генной инженерии. Впрочем, CRISPR позволяет нам изменять лишь один ген и лишь один организм за раз. Чтобы вносить изменения на уровне целого вида, в CRISPR нужно внедрить еще одну технологию: Gene Drive. Сначала дадим ей определение, а затем сделаем краткое, но уместное отступление и поговорим об одном из самых известном хаков в истории программирования.

Концепция Gene Drive существует уже порядка 15 лет. Некоторые версии генов (также известные как аллели) распространяются через поколения у видов, воспроизводящихся половым путем. Это значит, что аллель наследуется каждым из потомков с вероятностью 50% (при условии, что эта конкретная версия есть только у одного из родителей), поскольку от каждого из родителей происходит половина ДНК потомка. Итак, если у нас есть аллель для голубых глаз и аллель для карих, то глаза вашего ребенка буду голубыми или карими с вероятностью 50%. Очевидно, что независимо от внешних факторов в следующем поколении аллель передастся с вероятностью 25%, и так далее. О каких внешних факторах идет речь? Наиболее очевидный – естественный отбор. Если некоторая аллель дает своему владельцу определенное преимущество, то имена она с большей вероятностью будет передаваться в дальнейшей популяции. Gene Drive – это механизм, который делает гены «эгоистичными», увеличивая вероятность их наследования с вероятностью свыше 50%, независимо от влияния отбора.

Эта идея очень важна, если мы хотим использовать CRISPR для оказания большого влияния на целые популяции. Например, для изменения комаров, чтобы они больше не разносили малярию, нам нужно будет не применять CRISPR к миллионам комаров и видеть, как наши внесенные изменения слабеют через поколения (при условии, что эти изменения не дают виду каких-либо преимуществ), а использовать Gene Drive, поскольку эта технология куда более эффективна для распространения генов в популяции. Здесь в нашей истории появляется новый персонаж, Кевин Эсвелт из MIT. Идея Эсвелта заключалась использовании Gene Drive в сочетании с исключительной точностью CRISPR. Таким образом, ему удалось создать самую мощную технологию Gene Drive в истории.

Чтобы понять что он сделал, давайте коснемся мира ПО. В 1984 году Кен Томпсон, изобретатель операционной системы Unix и один из величайших программистов всех времен, написал о своем любимом [3] хаке. Они написал блестящий рекурсивный вирус, который мог заразить инфраструктуру любой Unix-OC. Он работал следующим образом:

• Сперва Томпсон модифицировал исходный код стандартной программы авторизации в Unix (написанный на языке C). Это нужно было для создания секретного бэкдора, позволяющего стать любым пользователем в системе.

если (пароль == “пароль пользователя” or password == “специальный пароль Кена”):
Авторизовать пользователя

if (password == “user’s password” or password == “ken’s special password”)
Log user in.

Столь нехитрый хак давал Томпсону возможность получить полный доступ к любой Unix-системе, в которую была встроена его версия программы входа в систему. Но это было очевидно для всех, кто видел исходный код этой программы.

• Затем (и это поистине коварный момент) Томпсон модифицировал исходный код компилятора языка C, чтобы он мог распознавать компиляцию кода для входа в систему и внедрял вирусный код в результирующий файл, независимо от того, какой исходный код подавался на вход. [4]

Таким образом, код, который должен был пересобирать все ядро системы Unix был изменен для создания хакнутой версии ОС. И это хороший аналог того, как Кевину Эсвелту удалось взломать ДНК.

Эсвелт понял, что ДНК – компилятор самой жизни. Все, что существует в жизни, включая цепочки CRISPR, было создано этим компилятором. Итак, подобно Томпсону, Эсвелт понял, что можно изменить сам компилятор для изменения того, что он компилирует (и неважно какие инструкции будут использоваться в исходной программе). Рассмотрим упрощенное описание хака Эсвелта:

• Создать цепочку CRISPR, которая будет применена к ДНК эмбриона для внесений желаемых изменений. Например, заменим ген карего цвета глаз на ген голубого цвета.
• Создать цепочку CRISPR, которая будет включать в себя инструкции, необходимые для создания цепочки из первого пункта в ДНК, с которым мы работаем. Иными словами, модифицируем компилятор жизни, чтобы он мог распознавать и модифицировать цепочки ДНК.
• Во время оплодотворения, когда модифицированная ДНК встретится со своей парой, новые инструкции приведут к созданию цепочки CRISPR, которая применится к новой ДНК, гарантируя, что обе цепочки в результирующей паре будут иметь желаемые изменения. Таком образом, даже если в ДНК родителя (к которой не применялась CRISPR) содержится ген карего цвета глаз, он будет заменен на ген голубого цвета.
• Результирующий организм и его потомки также будут иметь внесенные изменения. Прощайте, карие глаза!

В этом и заключается суть Gene Drive. Какие бы изменения вы не вносили, они будут воспроизводиться во всех потомках с вероятность 100% [5]. Это приведет к тому, что новые признаки будут проходить через геном всего вида с исключительной скоростью.

Когда мы будем будем пытаться контролировать различные организмы (от комаров до бактерий) появится множество применений и приложений технологии Gene Drive. Тем не менее, давайте представим ее применения к нашему виду. Кто-то может заявить, что модифицировать человеческие эмбрионы таким образом аморально. Политики, религиозные лидеры и специалисты по этике объявят, что применение CRISPR (особенно для изменения человечества) незаконно. С другой стороны, давайте подумаем о преимуществах. Генетические заболевания можно будет полностью устранять еще до рождения ребенка. Более того, мы все лучше и лучше понимаем структуру и устройство генома – только представьте себе все те преимущества, которые мы сможем дать нашим детям (а с помощью Gene Drive – и детям наших детей). Подумайте о преимуществах для общества, возможно мы сможем поднять IQ всех детей на 10 (или 20, или 30) баллов.

Что может помешать и остановить людей на пути к изменению характеристик популяции? Возвращаясь к приведенному выше примеру, что произойдет, когда (и если) ученые получат полное представление о генетических основах продвинутого интеллекта? Что помешает правительствам запретить изменения в своем населении? И что предпочтут делать конкурирующие правительства?

Мы в YCombinator уже начали инвестировать в CRISPR-стартапы, и я думаю, что мы будем развивать это направление. Важно понимать, что как только генные «программисты» получат доступ к коду жизни, пределов не будет. Разнообразие приложений (существующих и потенциальных) поражает уже сейчас. Ученые использовали CRISPR для внесения изменения в геном коз для того, чтобы они производили паучий шелк (очень необычный материал, который сложно производить в больших объемах) в своем молоке! Также было высказано предположение, что CRISPR может лечить гемофилию и даже заменит антибиотики. Китайские ученые использовали CRISPR для внесения изменений в эмбрион человека (нежизнеспособный), и этот случай вызвал много споров. Появление людей, прокачанных с помощью CRISPR не так далеко, как кажется.

Методы и технологии применения CRISPR становятся все лучше и лучше. Они становятся более точными, предсказуемыми и дешевыми. Мы узнаем о генетическом коде все больше и больше (отчасти благодаря тому, что с помощью CRISPR мы можем видеть что происходит, когда мы убираем один ген и вставляем на его место другой). Технологии не остановить и есть один неизбежный вывод: в не очень далеком будущем мы сможем программировать почти любых существ так, как пожелаем. Включая людей. Будем ли мы сопротивляться желанию пересмотреть определения существования человека – вопрос открытый. Я думаю, что решительный шаг со стороны какой-то личности или общества, это лишь вопрос времени.

Спасибо Сэму Альтману, Крейгу Кэннону, Карен Лиен и Джону Ралстону, которые прочитали и прокомментировали ранние версии этого текста.

Ссылки

RadioLab — CRISPR
Breakthrough DNA Editor Born of Bacteria — Quanta Magazine
Rewriting the Code of Life — The New Yorker, Jan 2 2017 — Michael Spector
Emerging Technology: Concerning RNA-guided gene drives for the alteration of wild populations — Kevin M Esvelt, Andrea L Smidler, Flaminia Catteruccia, and George M Church
Вики о CRISPR
Вики о Gene Drive

Примечания

1. Если вы предпочитаете слушать, а не читать, то у RadioLab есть прекрасный подкаст о CRISPR, доступный по этой ссылке
2. Калифорнийский Университет Беркли и институт BROAD в Массачусетсе – два главных противника в споре о правах на CRISPR. Таймлайн работы BROAD можно увидеть здесь.
3. Последствия взлома Кена Томпсона огромны. Вот классическое эссе Томпсона «Размышления о том, можно ли полагаться на доверие» и хорошее обобщение его выводов.
4. Если вы почитаете о хаке Томпсона, то узнаете, что на самом деле он пошел еще дальше и модифицировал компилятор C, чтобы он мог распознавать сам себя и вводил код распознавания подпрограммы авторизации в программу для инъекции кода.
5. Это утверждение не вполне верно для всех поколений. Несмотря на то, что поначалу эффективность должна быть очень высокой, биология часто подбрасывает нам сюрпризы. Исследователи обнаружили, что на самом деле организмы могут вырабатывать устойчивость к Gene Drive (во много это похоже на устойчивость к антибиотикам).

Полезные материалы

• 75 лекций на русском от Y Combinator (из 172)
• Y Combinator: русскоговорящие основатели
• Какие стартапы ищет Y Combinator в 2020 году
• Подборка 143 переводов эссе Пола Грэма (из 184)
• Чат Y Combinator in Russian
• Паблик в фейсбуке YCombinator in Russian