Взломавшая код. Дженнифер Даудна, редактирование генома и будущее человечества

Джек Шостак

Глава 6. РНК

Центральная догма

Чтобы научиться не только читать, но и писать человеческий геном, необходимо было переключить внимание с ДНК на ее менее известную родственницу, которая в реальности выполняет закодированные инструкции. РНК (рибонуклеиновая кислота) – это содержащаяся в живых клетках молекула, которая похожа на ДНК (дезоксирибонуклеиновую кислоту), но имеет дополнительный атом кислорода в сахарофосфатном остове и отличается одним из четырех оснований.

В мире, пожалуй, нет молекулы известнее, чем ДНК, которая появляется на обложках журналов и используется в качестве метафоры для характеристик, неотъемлемо присущих обществу или организации. Однако, как часто бывает с более знаменитыми родственниками, ДНК не перегружена работой. В основном она находится дома, в ядрах наших клеток, которые почти не покидает. Главным образом она охраняет информацию, которую кодирует, и периодически воспроизводит саму себя. РНК, напротив, выполняет настоящую работу. Вместо того чтобы сидеть дома и беречь информацию, она создает реальные продукты, например белки. Будьте внимательны к ней. В этой книге – а также в карьере Даудны – она будет блистать во всем, от CRISPR до COVID.

Когда велась работа в рамках проекта “Геном человека”, РНК по большей части считали информационной молекулой, которая переносит инструкции от ДНК, находящейся в клеточных ядрах. Маленький сегмент ДНК, кодирующий ген, транскрибируется во фрагмент РНК, который затем перемещается в производственную зону клетки. Там “информационная РНК” запускает сборку нужной последовательности аминокислот для создания конкретного белка.

Существует множество типов таких белков. Например, фибриллярные белки формируют такие структуры, как кости, ткани, мышцы, волосы, ногти, сухожилия и клетки кожи. Мембранные белки передают сигналы внутри клеток. Самый удивительный тип белков – ферменты, или энзимы. Они служат катализаторами процессов. Они запускают, ускоряют и замедляют химические реакции во всех живых организмах. Почти все, что происходит в клетке, требует участия фермента-катализатора. Обратите внимание на ферменты. В этой книге они будут сиять вместе с РНК, становясь ее партнерами в танце.

Через пять лет после открытия структуры ДНК Фрэнсис Крик, принявший в этой работе непосредственное участие, дал название процессу перемещения генетической информации от ДНК к РНК и построения белков. Он назвал его “центральной догмой” молекулярной биологии. Позже он признал, что не слишком удачно выбрал слово “догма”, предполагающее неизменную и непререкаемую веру[35 - Mukherjee. The Gene. P. 250.]. Но слово “центральный” подходило как нельзя лучше. Хотя догма и была скорректирована, процесс остался центральным для биологии.

Рибозимы

Одно из первых изменений в центральной догме произошло, когда Томас Чек и Сидни Олтмен независимо друг от друга открыли, что белки – это не единственные в клетке молекулы, которые могут быть ферментами. В начале 1980-х они провели исследование, которое впоследствии принесло им Нобелевскую премию, и неожиданно обнаружили, что некоторые формы РНК тоже могут быть ферментами. В частности, они открыли, что некоторые молекулы РНК могут делиться, запуская химические реакции. Они назвали такие каталитические РНК “рибозимами”, составив термин из понятий “рибонуклеиновая кислота” и “энзимы”[36 - Jennifer Doudna. “Hammering Out the Shape of a Ribozyme” // Structure, 15 декабря 1994 г.].

Чек и Олтмен совершили это открытие, изучая интроны. Некоторые фрагменты нуклеотидных последовательностей не кодируют инструкции по созданию белков. Когда такие последовательности транскрибируются в молекулы РНК, они начинают мешать нормальной работе молекулы. В связи с этим их необходимо отрезать, осуществляя так называемый сплайсинг, прежде чем РНК сможет продолжить свою миссию по руководству строительством белков. Чтобы вырезать интроны и заново соединять полезные фрагменты РНК, нужен катализатор, роль которого обычно выполняет белковый фермент. Но Чек и Олтмен обнаружили, что некоторые интроны РНК выполняют сплайсинг самостоятельно!

Это открытие имеет любопытные последствия. Если некоторые молекулы РНК могут хранить генетическую информацию и также выступать в качестве катализаторов химических реакций, то они могут играть более важную роль в происхождении жизни, чем ДНК, которая не может естественным образом воспроизводиться в отсутствие белков, запускающих химические реакции[37 - Jennifer Doudna and Thomas Cech. “The Chemical Repertoire of Natural Ribozymes” // Nature, 11 июля 2002 г.].

РНК, а не ДНК

Когда весной 1986 года Даудне больше не нужно было менять лаборатории, она спросила Джека Шостака, может ли она остаться в его лаборатории и заняться диссертационным исследованием под его руководством. Шостак согласился, но с оговоркой. Он больше не собирался заниматься ДНК дрожжей. Пока другие биохимики восторженно обсуждали секвенирование ДНК в проекте “Геном человека”, он решил переключиться на РНК, которая, как он полагал, могла раскрыть секреты, приблизив ученых к разгадке главной из биологических загадок – загадки о происхождении жизни.

Шостак сказал Даудне, что заинтересовался открытиями Чека и Олтмена, показавшими, что некоторые молекулы РНК имеют каталитические свойства ферментов. Он намеревался выяснить, могут ли рибозимы использовать эту способность для самовоспроизводства. “Хватит ли этому фрагменту РНК химических силенок, чтобы создать свою копию?” – спросил он у Даудны. Он предложил, чтобы именно этим она и занялась в своем диссертационном исследовании[38 - Интервью автора с Джеком Шостаком и Дженнифер Даудной; Jennifer Doudna. “Towards the Design of an RNA Replicase”. PhD thesis, Harvard University, май 1989 г.].

Заразившись энтузиазмом Шостака, Даудна вызвалась стать первой в этой лаборатории аспиранткой, работающей над РНК. “Когда я изучала биологию, нам подробно расписывали структуру и код ДНК и говорили, что всю тяжелую работу в клетках выполняют белки, в то время как РНК считали бестолковым посредником, своего рода руководителем среднего звена, – вспоминает Даудна. – Я очень удивилась, когда выяснилось, что в Гарварде работает молодой гений Джек Шостак, который хочет на сто процентов посвятить себя исследованию РНК, поскольку считает ее ключом к разгадке тайны о происхождении жизни”.

И для Шостака, который уже завоевал авторитет, и для Даудны, которая пока еще не имела солидной репутации, решение заняться РНК было рискованным. “Вместо того чтобы вместе со всеми изучать ДНК, – вспоминает Шостак, – мы решили стать первопроходцами в новой сфере, отправиться на новые рубежи, которые были несколько обделены вниманием, но нам казались весьма интересными”. Это было задолго до того, как в РНК увидели технологию, которая позволяет оказывать влияние на экспрессию генов и вносить изменения в человеческие гены. Шостак и Даудна обратились к РНК из чистого любопытства, в стремлении разобраться, как работает природа.

У Шостака был принцип: “Никогда не делай того, чем занимается еще тысяча человек”. Даудне он пришелся по душе. “Это было как на футбольном поле, где я хотела играть на позиции, которую не жаловали другие дети, – говорит она. – Джек научил меня, что, вторгаясь на неизведанную территорию, рискуешь сильнее, но при этом получаешь возможность выиграть больше”.

К тому времени она знала, что важнее всего при изучении природного явления понять, как устроены участвующие в нем молекулы. Для этого ей нужно было освоить некоторые техники, использовавшиеся Уотсоном, Криком и Франклин при изучении структуры ДНК. Если бы у них с Шостаком все получилось, это могло бы стать большим шагом к ответу на один из самых главных биологических вопросов, а возможно, и на самый главный вопрос: как зародилась жизнь?

Происхождение жизни

Шостак загорелся идеей узнать, как зародилась жизнь, и его энтузиазм преподнес Даудне второй важный урок: поняв, что не стоит бояться рисковать, вторгаясь на новые территории, она также осознала, что ученому положено задавать грандиозные вопросы. Хотя Шостаку нравилось погружаться в детали экспериментов, он постоянно размышлял на поистине глубокие темы. “Зачем еще заниматься наукой?” – говорил он Даудне. И этот вопрос стал одним из ее руководящих принципов[39 - Интервью автора с Джеком Шостаком и Дженнифер Даудной.].

Существуют великие вопросы, на которые мы, смертные, возможно, никогда не найдем ответа: как зародилась Вселенная? почему в мире есть что-то, когда могло бы не быть ничего? что такое сознание? Есть и вопросы, которые, возможно, поддадутся нам до конца этого столетия: все ли во Вселенной предопределено? обладаем ли мы свободой воли? Если говорить о грандиозных вопросах, то ближе всего мы подошли к ответу на вопрос о происхождении жизни.

Центральная догма биологии требует наличия ДНК, РНК и белков. Поскольку маловероятно, чтобы все они одновременно выплыли из первичного бульона, в начале 1960-х годов появилась гипотеза, которую независимо друг от друга сформулировали вездесущий Фрэнсис Крик и другие ученые, и она гласит, что ранее существовала более простая система. Крик предположил, что на заре земной истории РНК была способна к самовоспроизводству. Это оставляет открытым вопрос, откуда появилась первая РНК. Некоторые полагают, что ее источником был космос. Но, возможно, дело обстояло проще и на Земле в доисторические времена присутствовали химические составляющие РНК, которые соединялись друг с другом в результате естественного случайного смешивания. В тот год, когда Даудна пришла в лабораторию Шостака, биохимик Уолтер Гилберт назвал эту гипотезу “миром РНК”[40 - Jeremy Murray and Jennifer Doudna. “Creative Catalysis” // Trends in Biochemical Sciences, декабрь 2001 г.; Tom Cech. “The RNA Worlds in Context” // Cold Spring Harbor Perspectives in Biology, июль 2012 г.; Francis Crick. “The Origin of the Genetic Code” // Journal of Molecular Biology, 28 декабря 1968 г.; Carl Woese. The Genetic Code (Harper & Row, 1967). P. 186; Walter Gilbert. “The RNA World” // Nature, 20 февраля 1986 г.].

Неотъемлемое свойство живых существ заключается в том, что они владеют методом создания новых организмов, подобных себе: они способны к воспроизводству. Следовательно, если вы хотите сказать, что РНК могла быть молекулой-предшественником, которая привела к зарождению жизни, полезно будет продемонстрировать процесс ее самовоспроизводства. Именно такую цель и поставили перед собой Шостак и Даудна[41 - Jack Szostak. “Enzymatic Activity of the Conserved Core of a Group I Self-Splicing Intron” // Nature, 3 июля 1986 г.].

Даудна применяла множество тактик для создания РНК-фермента, или рибозима, который мог бы связывать маленькие фрагменты РНК. В конце концов они с Шостаком смогли создать рибозим, который с помощью сплайсинга производил собственную копию. “Эта реакция демонстрирует возможность воспроизводства РНК при использовании РНК в качестве катализатора”, – написали Даудна и Шостак в статье, вышедшей в журнале Nature в 1989 году. Биохимик Ричард Лифтон позже назвал эту статью “чудом технического мастерства”[42 - Интервью автора с Ричардом Лифтоном, Дженнифер Даудной и Джеком Шостаком; вручение Дженнифер Даудне премии Грингарда 2 октября 2018 г.; Jennifer Doudna and Jack Szostak. “RNA-Catalysed Synthesis of Complementary-Strand RNA” // Nature, 15 июня 1989 г.; J. Doudna, S. Couture, and J. Szostak. “A Multisubunit Ribozyme That Is a Catalyst of and Template for Complementary Strand RNA Synthesis” // Science, 29 марта 1991 г.; J. Doudna, N. Usman, and J. Szostak. “Ribozyme-Catalyzed Primer Extension by Trinucleotides” // Biochemistry, 2 марта 1993 г.]. Даудна стала восходящей звездой царства исследований РНК. Пока оно оставалось на задворках биологии, но в последующие два десятилетия знания о поведении маленьких фрагментов РНК обрели большую важность как в сфере редактирования генома, так и для борьбы с коронавирусами.

В аспирантуре Даудна приобрела особую комбинацию навыков, которая отличала Шостака и других великих ученых: она прекрасно справлялась с проведением экспериментов и также задавала грандиозные вопросы. Она понимала, что дьявол в деталях, но при этом не забывала об общей картине. “Дженнифер была великолепна в лаборатории, потому что делала все быстро и точно, у нее в руках все спорилось, – говорит Шостак. – Но еще мы говорили о том, почему важно задавать поистине грандиозные вопросы”.

Даудна также оказалась отличным командным игроком, что очень радовало Шостака, который сам был таким же, как и Джордж Черч и некоторые другие ученые из Гарвардской медицинской школы. Это видно по количеству соавторов в большинстве ее статей. В научных публикациях первым указывается автор – как правило, молодой исследователь, – который проводил большую часть экспериментов, а последним – научный руководитель или директор лаборатории. Перечисленные в середине обычно выстраиваются по значимости внесенного вклада. В одной из важных статей для журнала Science, с подготовкой которой Даудна помогала в 1989 году, ее имя стоит в середине списка, потому что в то время она была наставником удачливого гарвардского студента-бакалавра, подрабатывавшего в лаборатории, и посчитала, что ведущим автором должен стать студент. В последний год работы в лаборатории Шостака ее имя появилось в списке авторов четырех научных статей в престижных журналах, и во всех них описывалось, как молекулы РНК осуществляют самовоспроизводство[43 - Jayaraj Rajagopal, Jennifer Doudna, and Jack Szostak. “Stereochemical Course of Catalysis by the Tetrahymena Ribozyme” // Science, 12 мая 1989 г.; Doudna and Szostak. “RNA-Catalysed Synthesis of Complementary-Strand RNA”; J. Doudna, B. P. Cormack, and J. Szostak. “RNA Structure, Not Sequence, Determines the 5’ Splice-Site Specificity of a Group I Intron” // PNAS, октябрь 1989 г.; J. Doudna and J. Szostak. “Miniribozymes, Small Derivatives of the sunY Intron, Are Catalytically Active” // Molecular and Cell Biology, декабрь 1989 г.].

Шостак также отметил готовность и даже желание Даудны решать трудные проблемы. Это стало очевидно ближе к завершению ее работы в лаборатории Шостака в 1989 году. Она поняла, что сможет разобраться в работе фрагментов РНК, осуществляющих самосплайсинг, только если изучит его строение атом за атомом. “В то время считалось, что структура РНК настолько сложна, что ее, возможно, не удастся открыть, – вспоминает Шостак. – Почти никто уже и не пытался”[44 - Интервью автора с Джеком Шостаком.].

Знакомство с Джеймсом Уотсоном

Первое выступление Дженнифер Даудны на научной конференции состоялось в лаборатории в Колд-Спринг-Харбор, и Джеймс Уотсон на правах хозяина сидел, как обычно, в первом ряду. Было лето 1987 года, и он организовал семинар, чтобы обсудить “эволюционные события, которые могли дать толчок к появлению живых организмов, ныне существующих на Земле”[45 - Интервью автора с Джеймсом Уотсоном; James Watson et al. “Evolution of Catalytic Function”. Cold Spring Harbor Symposium, vol. 52, 1987.]. Иными словами: как зародилась жизнь?

На конференции главным образом обсуждали недавние открытия, демонстрирующие, что некоторые молекулы РНК способны к самовоспроизводству. Поскольку Шостак не мог участвовать, Даудну, которой было всего двадцать три года, пригласили вместо него представить их работу над созданием самовоспроизводящейся молекулы ДНК. Получив подписанное Уотсоном письмо, адресованное “уважаемой мисс Даудне” (она еще не стала доктором Даудной), она не только тотчас приняла приглашение, но и поместила письмо в рамку.

Ее выступление, основанное на статье, написанной в соавторстве с Шостаком, изобиловало техническими подробностями. “Мы описываем делеции и замены в каталитическом и субстратном доменах самосплайсирующегося интрона”, – начала она. Такое предложение не может не взволновать исследователей-биологов, и Уотсон принялся делать заметки, внимательно слушая. “Я так сильно нервничала, что у меня ладони вспотели”, – вспоминает Даудна. Но по окончании выступления Уотсон поздравил ее, а Том Чек, который провел исследование интронов, проложившее дорогу к статье Даудны и Шостака, наклонился и шепнул: “Отличная работа”[46 - Интервью автора с Дженнифер Даудной и Джеймсом Уотсоном; Jennifer Doudna… Jack Szostak, et al. “Genetic Dissection of an RNA Enzyme”. Cold Spring Harbor Symposium, 1987, p. 173.]