Пытливые глаза, мохнатая мордочка и пышная шкура, мышь по прозвищу Сяо Чжу, или Маленький Бамбук, ловко взгромоздились на бамбуковый стебель, приняв красивую позу перед камерой. Но этой мыши не существует в природе.
Сделанный в лаборатории в Пекине, Xiao Zhu раздвигает границы возможного для генной инженерии и синтетической биологии. Вместо обычных 20 пар хромосом у мыши и ее родственников всего 19 пар. Два фрагмента разных хромосом были искусственно слиты вместе в смелом эксперименте, в ходе которого задавался вопрос: вместо того, чтобы изменять отдельные буквы ДНК или несколько генов, можем ли мы полностью перенастроить существующий геномный сценарий, одновременно перетасовывая массивные блоки генетического материала?
Это лунная идея. Если геном представляет собой книгу, то редактирование генов похоже на редактирование копий: изменение опечатки тут и там или исправление множества грамматических ошибок с помощью тщательно продуманных настроек.
Инжиниринг на уровне хромосом — это совершенно другой зверь: это все равно, что переставлять несколько абзацев или сдвигать целые разделы статьи и одновременно надеяться, что изменения добавят возможности, которые можно будет передать следующему поколению.
Перепрограммировать жизнь непросто. Структура ДНК Сяо Чжу построена из генетических букв, уже оптимизированных эонами эволюционного давления. Неудивительно, что работа с установленной геномной книгой часто приводит к тому, что жизнь становится нежизнеспособной. До сих пор только дрожжи пережили перестановку своих хромосом.
Ассоциация Новое исследование, опубликовано в Наука, сделал технологию доступной для мышей. Команда искусственно объединила фрагменты мышиных хромосом. Одна слитая пара, состоящая из четвертой и пятой хромосом, была способна поддерживать эмбрионы, которые развивались в здоровых, хотя и несколько странно ведущих себя, мышей. Примечательно, что даже с этим тектоническим сдвигом в сторону их нормальной генетики мыши могли размножаться и передавать свои искусственные генетические особенности второму поколению потомства.
«Впервые в мире мы добились полной хромосомной перестройки у млекопитающих, совершив новый прорыв в синтетической биологии». — сказал автор исследования доктор Вэй Ли из Китайской академии наук.
В некотором смысле эта техника имитирует эволюцию с головокружительной скоростью. Основываясь на существующих данных о частоте мутаций, тип генетического обмена, введенный здесь, обычно требует миллионов лет для достижения естественным путем.
Исследование не идеально. Некоторые гены у сконструированных мышей были аномально отключены, что напоминает паттерн, обычно наблюдаемый при шизофрении и аутизме. И хотя мыши выросли до зрелого возраста и могли производить здоровых детенышей, уровень рождаемости был намного ниже, чем у их немодифицированных сверстников.
Тем не менее, исследование является проявлением силы, — сказал биолог-эволюционист доктор Хармит Малик из Онкологического центра Фреда Хатчинсона в Сиэтле, который не участвовал в исследовании. Теперь у нас есть этот «прекрасный инструментарий» для решения нерешенных вопросов, касающихся геномных изменений в более широком масштабе, что потенциально может пролить свет на хромосомные заболевания.
Подождите, что такое хромосомы снова?
Работа использует давнюю генетическую схему эволюции для создания новых видов.
Давайте резервную копию. Наши гены закодированы в цепочках двойной спирали ДНК, которые напоминают ленты, плавающие внутри клетки. Это не эффективно с точки зрения пространства. Природное решение состоит в том, чтобы намотать каждую цепочку на катушку с белком, как ломтики прошутто, накрученные на палочку моцареллы. Дополнительные повороты упаковывают эти структуры в крошечные шайбы — бусинки с картинками на нитке, — которые затем скручиваются в хромосомы. Под микроскопом они в основном выглядят как буква Х.
Каждый вид несет определенное количество хромосом. Все клетки человека, за исключением сперматозоидов и яйцеклеток, содержат 46 отдельных хромосом, расположенных в 23 парах, унаследованных от каждого родителя. У лабораторных мышей, напротив, всего 20 пар. Полный набор хромосом называется кариотипом, происходящим от греческого слова «ядро» или «семя».
Смешивание и сопоставление хромосом уже давно является частью эволюции. Согласно текущим оценкам, грызун обычно накапливает примерно 3.5 хромосомных перестройки каждый миллион лет; некоторые сегменты удаляются, другие дублируются или перемешиваются. У приматов скорость изменений примерно в два раза меньше. Смещение фрагментов хромосом может показаться радикальным для любого животного, но когда оно становится жизнеспособным, эти изменения прокладывают путь для эволюции совершенно других видов. Наша вторая хромосома, например, была слита из двух отдельных хромосом, но у гориллы, нашего близкого эволюционного родственника, этого изменения нет.
Новое исследование было направлено на то, чтобы сделать нечто большее, чем эволюция: с помощью генной инженерии мы спрашивали, можем ли мы сжать миллионы лет эволюции до нескольких месяцев? Это не просто научное любопытство: хромосомные заболевания лежат в основе некоторых из наших самых сложных медицинских головоломок, таких как детская лейкемия. Ученые ранее вызывали перестройку хромосом с помощью радиации, но результаты было трудно контролировать, что делало невозможным рождение нового потомства у животных. Здесь синтетические биологи применили более целенаправленный подход.
Первый шаг — выяснить, почему хромосомы устойчивы к большим изменениям в своей организации. Как оказалось, основным препятствием для замены или слияния фрагментов хромосом является биологическая особенность, называемая импринтингом.
Мы получаем хромосомы от обоих родителей, причем каждый набор содержит схожие гены. Однако включен только один набор. Как работает процесс импринтинга, остается загадкой, но мы знаем, что он ограничивает способность эмбриональных клеток развиваться в несколько типов зрелых клеток и ограничивает их потенциал для генной инженерии.
Еще в 2018, та же команда обнаружила, что удаление трех генов может отменить биохимическую программу импринтинга в стволовых клетках. Здесь они использовали эти «разблокированные» стволовые клетки для генетического соединения двух пар хромосом.
Сначала они обратили внимание на первую и вторую хромосомы, две самые большие в геноме мыши. Используя CRISPR, команда разделила хромосомы, позволив им поменять местами генетические фрагменты и преобразовать их в стабильные генетические конструкции. Затем клетки, несущие хромосомные изменения, вводили в ооциты — яйцеклетки. Полученные эмбрионы были пересажены суррогатным самкам мышей для дальнейшего созревания.
Обмен был смертельным. Искусственная хромосома с хромосомой два, за которой следует хромосома один, или 2+1, убила развивающийся плод всего через 12 дней после зачатия. Те же самые две хромосомы, слитые в противоположном направлении, 1+2, повезло больше, дав живых детенышей только с 19 парами хромосом. Детеныши мышей были ненормально большими для своего размера и в некоторых тестах казались более тревожными, чем их нормальные сверстники.
Второй эксперимент по слиянию хромосом прошел лучше. Хромосомы 4 и 5 намного меньше по размеру, и получившийся эмбрион, получивший название 4+5, превратился в здоровых детенышей мыши. Хотя у них также отсутствовала пара хромосом, они казались на удивление нормальными: они не были такими тревожными, имели средний вес тела, а когда созрели, рождали детенышей, у которых также отсутствовала пара хромосом.
Другими словами, команда разработала новый кариотип млекопитающих, который можно было бы передавать из поколения в поколение.
Совершенно новый мир синтетической биологии?
Для Малика все дело в масштабе. Преодолев проблему импринтинга, «мир — их устрица в том, что касается генной инженерии», — сказал он. — сказал в Ученый.
Следующая цель команды — использовать эту технологию для решения сложных хромосомных заболеваний, а не для создания мутантных видов. Искусственная эволюция не за горами. Но исследование демонстрирует удивительную приспособляемость геномов млекопитающих.
«Одной из целей синтетической биологии является создание сложной многоклеточной жизни с помощью разработанных последовательностей ДНК», — пишут авторы. «Возможность манипулировать ДНК в больших масштабах, в том числе на уровне хромосом, является важным шагом на пути к этой цели».
Кредит изображения: Китайская академия наук
