Первый геном человека был опубликован более 20 лет назад, а его расшифровка обошлась примерно в 3 млрд долларов. Он многое дал для понимания эволюции человека, молекулярных механизмов в норме и при болезнях, индивидуального развития и взаимоотношений со средой.
Однако он был, во-первых, неполным — тогдашние технологии не позволили расшифровать примерно 7% из трёх миллиардов букв. Во-вторых, большая часть материала принадлежала одному человеку преимущественно европеоидного происхождения. При этом сделанные на основе этого референсного генома выводы распространяли на людей другого этнического происхождения, что, вообще говоря, некорректно. Между тем, геномы людей отличаются примерно на 0,1%, а это ни много ни мало 3 миллиона букв (пар оснований).
Прогресс в технологиях секвенирования позволил в итоге расшифровать практически весь геном, а начатый в 2019 году проект Консорциум референсного пангенома человека (Human Pangenome Reference Consortium, HPRC) объединил в одной базе данных 47 геномов людей различного происхождения, и собирается довести это число до 350 в следующем году.
Эта кропотливая работа уже позволила получить некоторые неожиданные выводы.
Так, оказалось, что полиморфизм генов, отвечающих за распознавание патогенов иммунной системы, ещё выше, чем думали раньше. Также более точный и разнообразный пангеном поможет в дальнейшем более надёжно секвенировать ДНК и РНК.
Новая эндонуклеаза эукариот
Мы рассказывали о системе CRISPR/Cas9, которая сейчас уже используется в клинических исследованиях для редактирования генома человека. Она была открыта в 2005 году у бактерий, которым она служит для защиты от вирусов. Эта система состоит из фермента эндонуклеазы Cas9, который разрезает ДНК, и направляющей РНК (guide RNA), которая указывает, в каком месте её надо разрезать.
Генетики научились менять последовательность guide RNA, чтобы иметь возможность разрезать ДНК в любом месте. Полученный разрез позволяет направленно отключить ген, а если рядом есть специально подготовленный фрагмент ДНК — то и вставить его в геном, то есть отредактировать. До этого года такие системы обнаруживали только у прокариот.
В 2023 году вышла работа коллектива под руководством Чжан Фэна (кит. 张锋), одного из пионеров в области генного редактирования, где впервые описана РНК-направляемая эндонуклеаза из эукариот под названием Fanzor.
Сам белок был открыт при изучении транспозонов — мобильных элементов ДНК, которые способны перемещаться по геному относительно самостоятельно. Фэн Чжан и коллеги обнаружили сходство Fanzor с одной из прокариотических эндонуклеаз, что и привело к открытию. Разные версии Fanzor обнаружены у грибов, растений, простейших, членистоногих, моллюсков, и есть предположение, что их гены попали к эукариотам от прокариот горизонтальным переносом (зачастую посредниками тут являются вирусы).
Изначальная версия Fanzor была не слишком активна в отношении репрограммирования человеческого генома, но учёные направленным мутагенезом повысили эффективность в 10 раз, а также получили структуру фермента с разрешением 2.7Å методом криоэлектронной микроскопии.
Относительно небольшой размер Fanzor и потенциально более высокая точность, чем у CRISPR/Cas9, может сделать его ценным инструмент в добавление к другим инструментам редактирования — как эндонуклеазам, так и более новым конкурентам — редакторам оснований (base editors²) и prime editors³.
² Этот способ генного редактирования позволяет менять одно основание ДНК на другое без разрезания цепи ДНК, что намного повышает безопасность редактирования. Уже находится в клинических исследованиях.
³ Самый гибкий на данный момент из исследованных видов редактирования, при котором одновременно с разрезанием ДНК происходит её «перезапись» по шаблону РНК, другой фрагмент которой представляет собой направляющую РНК. Пока ещё находится в исследованиях на животных.
Осьминог, который себя перекодирует
Напоследок, занимательная новость из биологии моллюсков. Оказывается, при охлаждении в мозге осьминога тысячами редактируется мРНК, что меняет функцию белков и позволяет животному приспособиться к холоду.
Редактирование мРНК — известный способ гибкой подстройки организмов под изменения среды, но у людей, мышей и дрозофил, где его изучали активнее всего, он встречается редко. У дрозофил около 1300 сайтов перекодировки, в основном они нужны для настройки нервной системы и почти не зависят от температуры.
У осьминога же обнаружили более 20 000 сайтов перекодирования вследствие холода, причём многие из них затрагивают функции синаптических мембранных каналов, кальций-связывающих белков и белков аутофагии (процесс утилизации ненужных клетке компонентов). Перекодированием занимается фермент ADAR (аденозиндезаминаза, действующая на РНК), но механизм её активации на холоде пока неясен. Возможно, стабилизируются структуры dsRNA, с которыми она связывается, и активируются какие-то регуляторы.
Учёные показали, что изменения проявляются в течение нескольких часов и через 4 дня выходят на плато. Они также выяснили на двух конкретных примерах, как именно изменение в РНК проявляется в функциях белков. На холоде скорости многих процессов замедляются, повышается вязкость мембран, и, чтобы это скомпенсировать, нужно повысить скорость работы одних белков, понизить — других, и поменять поверхностные свойства третьих.
Осьминоги оказались в этом удивительно успешными. Ведь они — холоднокровные животные, но при этом одни из самых умных беспозвоночных, то есть их выживание довольно сильно зависит от когнитивных способностей. Между тем, изменение температуры воды даже на несколько градусов могло бы лишить их способности соображать, если бы не специальные механизмы, описанные в статье.
Автор — Илья Ясный, для «XX2 ВЕКа».
Вам также может быть интересно:
