Цивилизация
Главная молекула жизни (ДНК) состоит из всего из четырех типов мономеров, которые обозначают буквами А, Т, Г и Ц. Точечные мутации возникают, когда одна или несколько букв меняются на другие, выпадают или удваиваются. Но иногда в природе происходят более масштабные перестройки: хромосома может исчезнуть, удвоиться, обменяться участком с другой хромосомой. При этом речь идет о перемещении десятков и сотен миллионов «букв» ДНК.
«По сути хромосома — это длинная нить ДНК, которая была упакована удобным для хранения и эксплуатации способом. Геном разных организмов имеет разное количество хромосом. К примеру, у человека хромосом 46 (или 23 пары), а у шимпанзе 48. В норме в процессе эволюции за очень длительный период времени могут происходить хромосомные перестройки. К примеру, слияние двух хромосом или перенос участка одной хромосомы на другую», — рассказала «Газете.Ru» Антонина Акименко, врач-генетик биомедицинского холдинга «Атлас».
Мыши Mus Musculus, которых ученые использовали для экспериментов, в норме имеют 20 пар хромосом. Авторы работы, опубликованной в Science, с помощью системы генетического редактирования CRISPR/Cas9 отрезали с концов хромосом все «лишние» участки.
К ним относились теломеры, которые защищают ДНК от повреждений при делении, а также центромеры, которые находятся посередине хромосомы и участвуют в удвоении ДНК при делении клетки. Ученые также пометили хромосомы особыми последовательностями. А дальше все сделала природа: в клетках есть специальные белки, которые «лечат» поврежденные хромосомы. Они и склеили их в том месте, которое пометили ученые.
В одних экспериментах авторы склеили четвертую и пятую хромсому (короткие), в других — первую и вторую (длинные). В итоге клетки мышей содержали 19 пар хромосом. Ядра с таким набором они пересадили в яйцеклетки. Из них развились эмбрионы, которых затем выносили суррогатные матери. Некоторые мышата не только выжили, но и были способны к размножению.
«В обсуждаемом исследовании ученые с помощью генной инженерии получили мышей с объединенными 4 и 5 хромосомами, которые могли жить и передавать получившуюся объединенную хромосому по наследству, хотя их плодовитость была ограничена. Стоит отметить, что мыши, у которых были объединены 1 и 2 хромосомы, либо погибали на стадии эмбриона, либо заметно отличались по внешнему виду и поведению от обычных мышей и не могли с ними скрещиваться», — объяснила Акименко.
Работа ученых стала первой, в которой описан успех столь масштабных манипуляций с хромосомами. Современная генная инженерия позволяет вносить точечные мутации искусственно, в том числе и для лечения наследственных заболеваний. А вот изменение хромосом ранее было возможно только для простых организмов, например, дрожжей. Это связано с тем, что они содержат один набор хромосом, в то время как более сложные организмы имеют в клетках по два набора или больше.
«Авторы этой революционной работы использовали гаплоидные стволовые клетки мышей, которые содержат только один набор хромосом. Получить их было сложно, но это упростило внесение изменений в их ДНК. Первая сложность связана с тем, что если в организме есть два набора хромосом, то при повреждении одного из них клетка может использовать сохранившуюся копию, чтобы восстановить поврежденный участок», — сообщил «Газете.Ru» руководитель лаборатории геномной инженерии МФТИ Павел Волчков.
Вторая сложность, по словам ученого, связана с геномным импринтингом. У диплоидных организмов имеются две пары какого-то гена от двух родителей. Некоторые гены становятся активны, если они унаследованы от матери, другие — от отца. Чтобы мышь выжила и все ее гены более-менее нормально работали, нужно этот геномный импринтинг выключить. Это и сделали авторы, удалив из генома мышей три участка ДНК, ответственных за импринтинг.
Несмотря на то, что результаты этой работы — невероятный успех для хромосомной инженерии, все же у родившихся мышей было много проблем, добавил Волчков.
Работа ученых из Китая имеет фундаментальное значение не только для биологии. Она может продвинуть исследования многих генетических заболеваний у человека: хромосомная нестабильность наблюдается при некоторых типах рака, а также наследственных заболеваниях.
«Изменение хромосом приводит к тяжелым последствиям — синдромам Дауна, Эдвардса, Вольфа — Хиршхорна и другим хромосомным заболеваниям, которых около семисот. Продемонстрированный учеными метод для изменения хромосом, вероятно, поможет в будущем выяснить, как исправить дефектные хромосомы у человека и, соответственно, победить некоторые хромосомные заболевания», — объяснила Акименко.
Внесение точечных мутаций можно сравнить с изменением нескольких букв в тексте. Сказка про репку не сильно изменится, если семья будет тянуть морковь или тыкву. Но если в «Войну и Мир» добавить главу о жизни Фредди Крюггера, то придется переписывать все четыре тома, чтобы этому персонажу нашлось место в XIX веке. В итоге получится совершенно новая книга. То же справедливо и для ДНК: небольшая мутация редко приводит к огромным последствиям для всего вида. Обычно она влияет на своего обладателя: делает его рыжим или позволяет переваривать лактозу во взрослом возрасте. Но если перетасовать участки хромосом — могут даже возникнуть новые виды, например, человек.
«Хромосомные перестройки имеют большое значение для репродуктивной изоляции, важного компонента образования новых видов. Шимпанзе — ближайшие из ныне живущих родственников человека. Предки человека и шимпанзе разошлись примерно 6,5–7,5 миллионов лет назад. Геномы человека и шимпанзе после разделения их предков подверглись множественным изменениям, включая хромосомные перестройки. Например, вторая хромосома у человека возникла из-за слияния двух предковых, соответствующих хромосомам 2a и 2b у шимпанзе», — рассказала Акименко.
При этом речи о скрещивании шимпанзе с человеком не идет, хоть эксперименты по созданию химер и ведутся, подчеркнула Акименко.
«Получить объединенную хромосому в пробирке если и было бы возможно, то это само по себе ничего не дало бы. Суть данной работы не в том, что ученым удалось объединить две хромосомы. А в том, что им удалось вывести организм-млекопитающее, который с подобным набором хромосом смог нормально жить и размножаться, передавая изменение потомству.
Создание химер типа человек-животное — другая тема, над которой работают ученые. В частности, вводят человеческие стволовые клетки в эмбрион животного, например, макаки. Жизнь химерных эмбрионов потом очень недолго поддерживают для изучения, а далее их полагается уничтожать по этическим соображениям. Вокруг этой сферы вообще очень много этических споров», — рассказала Акименко.
Эта работа может сделать ранее невероятные исследования почти рутинными. Превратить человека обратно в шимпанзе не получится, но в целом создание новых видов уже сейчас стало выполнимой задачей, на которую не придется тратить миллионы лет.