З допитливими очима, пухнастою мордою та пишною шкіркою миша на прізвисько Сяо Чжу, або Маленький Бамбук, спритно сиділа на стеблині бамбука, взявши гарну позу для камери. Але цієї миші в природі не існує.
Виготовлений у лабораторії в Пекіні, Xiao Zhu розширює межі того, що можливо для генної інженерії та синтетичної біології. Замість того, щоб мати звичайні 20 пар хромосом, миша та її побратими мають лише 19 пар. Дві частини різних хромосом були штучно злиті разом у сміливому експерименті, який запитував: замість того, щоб налаштовувати окремі літери ДНК або кілька генів, чи можемо ми оптом переналаштувати існуючу геномну книгу, перемішуючи масивні блоки генетичного матеріалу одночасно?
Це місячна ідея. Якщо геном — це книга, редагування генів схоже на редагування копії — зміна друкарської помилки тут і там або виправлення численних граматичних помилок за допомогою ретельно внесених змін.
Розробка на рівні хромосоми — це зовсім інший звір: це все одно, що переставляти кілька абзаців або зміщувати цілі розділи статті й одночасно сподіватися, що зміни додадуть можливості, які можна буде передати наступному поколінню.
Перепрограмувати життя непросто. Структура ДНК Сяо Чжу побудована з генетичних літер, уже оптимізованих століттями еволюційного тиску. Не дивно, що попрацювання з усталеною геномною книгою часто призводить до життя, яке є нежиттєздатним. Наразі тільки дріжджі вижили після перебудови своїх хромосом.
Команда Нове дослідження, опублікований в Росії наука, зробили технологію можливою для мишей. Команда штучно злила воєдино фрагменти мишачих хромосом. Одна злита пара, утворена з четвертої та п’ятої хромосом, змогла підтримувати ембріони, які розвинулися в здорових мишей — хоча й з дещо дивною поведінкою. Примітно, що навіть із цим тектонічним зрушенням до їхньої нормальної генетики миші могли розмножуватися та передавати свої сконструйовані генетичні примхи другому поколінню нащадків.
«Вперше в світі ми досягли повної хромосомної перебудови у ссавців, зробивши новий прорив у синтетичній біології», сказав автор дослідження доктор Вей Лі з Китайської академії наук.
У певному сенсі ця техніка імітує еволюцію з шаленою швидкістю. Виходячи з існуючих даних про частоту мутацій, для природного досягнення такого генетичного обміну, як правило, потрібні мільйони років.
Дослідження не ідеальне. Деякі гени в модифікованих мишах були аномально налаштовані, що нагадує шаблон, який зазвичай спостерігається при шизофренії та аутизмі. І хоча миші виросли до дорослих і могли вирощувати здорових дитинчат, рівень народжуваності був набагато нижчим, ніж у їхніх неінженерних однолітків.
Незважаючи на це, дослідження є tour de force, сказав еволюційний біолог д-р Харміт Малік з Онкологічного центру Фреда Хатчінсона в Сіетлі, який не брав участі в дослідженні. Тепер у нас є цей «прекрасний інструментарій» для вирішення невирішених питань щодо геномних змін у більшому масштабі, потенційно проливаючи світло на хромосомні захворювання.
Зачекайте, що таке хромосоми?
Робота стосується давньої генетичної книги еволюції для створення нових видів.
Зробимо резервну копію. Наші гени закодовані в ланцюгах подвійної спіралі ДНК, які нагадують стрічки, що плавають усередині клітини. Це неекономно. Рішення природи полягає в тому, щоб обернути кожен ланцюжок навколо білкової котушки, як скибочки прошутто, накручені на паличку моцарели. Додаткові повороти упаковують ці структури в крихітні шайби — малюнкові намистини на нитці, — які потім загортаються в хромосоми. Під мікроскопом вони здебільшого схожі на букву Х.
Кожен вид несе певну кількість хромосом. Клітини людини, за винятком сперматозоїдів і яйцеклітин, містять 46 окремих хромосом, розташованих у 23 пари, успадкованих від кожного з батьків. У лабораторних мишей, навпаки, всього 20 пар. Повний набір хромосом називається каріотипом, що походить від грецького слова «ядро» або «насіння».
Змішування та зіставлення хромосом давно є частиною еволюції. Згідно з поточними оцінками, гризун загалом накопичує приблизно 3.5 хромосомних перебудови кожні мільйон років; деякі сегменти видаляються, інші дублюються або перемішуються. Для приматів швидкість змін приблизно вдвічі менша. Переміщення частин хромосом може здатися різким для будь-якої тварини, але коли це життєздатне, зміни відкривають шлях для еволюції зовсім інших видів. Наша друга хромосома, наприклад, була злита з двох окремих, але у горили, нашого близького еволюційного родича, цієї зміни немає.
Нове дослідження мало на меті зробити щось краще, ніж еволюція: використовуючи генну інженерію, воно запитувало, чи можемо ми стиснути мільйони років еволюції лише до кількох місяців? Це не лише наукова цікавість: хромосомні захворювання лежать в основі деяких із наших найскладніших медичних головоломок, таких як дитяча лейкемія. Раніше вчені викликали перебудову хромосом за допомогою радіації, але результати було важко контролювати, через що тварини не могли народити нове потомство. Тут синтетичні біологи застосували більш цілеспрямований підхід.
Перший крок — з’ясувати, чому хромосоми стійкі до великих змін у своїй організації. Як виявилося, основною проблемою обміну або злиття фрагментів хромосом є біологічна примха, яка називається імпринтингом.
Ми отримуємо хромосоми від обох батьків, і кожен набір містить подібні гени. Однак увімкнено лише один комплект. Як працює процес імпринтингу, залишається загадкою, але ми знаємо, що він перешкоджає здатності ембріональних клітин розвиватися в кілька типів зрілих клітин і обмежує їхній потенціал для генної інженерії.
Повернутися в 2018, та ж команда виявила, що видалення трьох генів може перекрити біохімічну програму імпринтингу в стовбурових клітинах. Тут вони використали ці «розблоковані» стовбурові клітини для генетичного з’єднання двох пар хромосом.
Спочатку вони звернули увагу на першу та другу хромосоми, дві найбільші в геномі миші. Використовуючи CRISPR, команда розділила хромосоми, дозволивши їм поміняти генетичні фрагменти та переформувати їх у стабільні генетичні конструкції. Клітини, які містили хромосомну зміну, потім вводили в ооцити — яйцеклітини. Отримані ембріони були пересаджені сурогатним самкам мишей для подальшого дозрівання.
Обмін був смертельним. Штучна хромосома з другою хромосомою, за якою слідує перша, або 2+1, вбила плід, що розвивався, лише через 12 днів після зачаття. Тим самим двом хромосомам, злитим у протилежному напрямку, 1+2, пощастило більше, даючи живих дитинчат лише з 19 парами хромосом. Мишенята були аномально великими для свого розміру, і в кількох тестах здавалися більш тривожними, ніж їхні звичайні однолітки.
Другий експеримент зі злиття хромосом пройшов краще. Хромосоми 4 і 5 набагато менші за розміром, і отриманий ембріон, який отримав назву 4+5, розвинувся в здорових мишат. Хоча вони також не мали пари хромосом, вони здавалися напрочуд нормальними: вони не були такими тривожними, мали середню вагу тіла, а коли вони подорослішали, народжували дитинчат, у яких також бракувало пари хромосом.
Іншими словами, команда створила новий каріотип у виду ссавців, який міг передаватися з покоління в покоління.
Абсолютно новий світ синтетичної біології?
Для Маліка вся справа в масштабі. Долаючи проблему імпринтингу, «світ є їхньою устрицею, що стосується генної інженерії», він сказав до Вчений.
Наступна мета команди полягає в тому, щоб використовувати технологію для вирішення складних хромосомних захворювань, а не для створення мутантних видів. Штучна еволюція не за горами. Але дослідження демонструє дивовижну адаптивність геномів ссавців.
«Однією з цілей синтетичної біології є створення складного багатоклітинного життя з розробленими послідовностями ДНК», — пишуть автори. «Можливість маніпулювати ДНК у великих масштабах, у тому числі на рівні хромосом, є важливим кроком на шляху до цієї мети».
Автор зображення: Китайська академія наук
