Взломавшая код. Дженнифер Даудна, редактирование генома и будущее человечества

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] .

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] .

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.

37

Jennifer Doudna and Thomas Cech. “The Chemical Repertoire of Natural Ribozymes” // Nature, 11 июля 2002 г.

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] .

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”.

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.

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] .

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] .

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] .

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] . 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.

41

Jack Szostak. “Enzymatic Activity of the Conserved Core of a Group I Self-Splicing Intron” // Nature, 3 июля 1986 г.

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.

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] .

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.