Дело в том, что работа генов в организме подчинена тем же самым законам, что и устройство любого социума. Это значит, что в нем есть «господа» — такие, как транскрипционные факторы, а есть гены-«работники», которые подчиняются транскрипционным факторам. Один такой фактор может контролировать работу сотни генов, поэтому всего полторы тысячи транскрипционных факторов контролируют работу двадцати пяти тысяч генов.

Транскрипционный комплекс из транскрипционных факторов и различных кофакторов[8] как раз и задает все особенности транскрипции гена в определенной клетке и в определенное время. Изучать работу определенного гена в определенных условиях — это большая наука, но пока оставим эту тему в стороне.

Нас в данный момент интересует, что транскрипционные факторы очень хорошо умеют распознавать генетический текст, но все по-разному. Одни распознают текст очень специфично, и тогда не требуется слишком большой сборки из транскрипционных факторов и кофакторов, а другие — менее специфично, и тогда для повышения точности транскрипции генов могут понадобиться еще какие-то белки-помощники и еще один кофактор, которые осуществили бы «тонкую настройку».

Понятие транскрипционного фактора появилось в конце 1980-х годов, а чуть позже исследователи обнаружили целое семейство транскрипционных факторов, белковая структура которых имела повторяющиеся элементы, и эти элементы получили название цинковые пальцы.

Свое странное название эти фрагменты белковых молекул получили за характерную трехмерную структуру и наличие в их составе ионов цинка. Цинковый палец представляет собой последовательность аминокислот, состоящую из пары близко расположенных цистеинов (аминокислотных остатков), потом следует промежуток в полтора-два десятка любых аминокислот, и опять идут два близко расположенных цистеина или гистидина. Ионы цинка стабилизируют, удерживают эту конструкцию, связываясь координационными связями с двумя близко расположенными цистеинами. Представьте себе веревку с четырьмя завязанными узелками — это будут цистеины или гистидины. А теперь пальцами притяните все узелки в одну точку. Ваши пальцы сыграли роль иона цинка. У вас получатся три петли, которые можно назвать тремя пальцами. Так вот, каждый палец достаточно точно узнает три-четыре нуклеотида ДНК, расположенные в определенном порядке, и связывается с ними. Три пальца уже распознают девять-десять нуклеотидов — определенное слово генетического текста.

Рис. 6. Нуклеазы типа цинковых пальцев

Среди трех миллиардов букв, составляющих генетический текст ДНК, группа из трех-четырех букв попадается довольно часто. А вот если мы возьмем сочетание пяти-шести цинковых пальцев, которые однозначно определят последовательность примерно пятнадцати-семнадцати нуклеотидов генетического текста, то с вероятностью девяносто девять целых и девять десятых процента это будет уникальная последовательность среди трех миллиардов букв.

Конечно, для того чтобы этого добиться, тоже потребовалась большая работа. Цинковые пальцы были исследованы вдоль и поперек, и для каждого пальца специалисты изучили специфичность распознавания ими определенных сочетаний нуклеотидов. С помощью этого знания, используя рекомбинантные технологии, исследователи смогли создать искусственные сочетания цинковых пальцев, которые бы распознавали с полной определенностью нужный фрагмент генетического текста внутри клетки.

Сейчас изучены шестьдесят четыре цинковых пальца, которые могут распознавать шестьдесят четыре различные комбинации из трех нуклеотидов, входящих в последовательность ДНК. Исследователи научились достаточно точно распознавать очень конкретные слова генетического текста, с точностью до одной буквы, до одного нуклеотида, — и все это внутри живой клетки. Теперь, опять-таки с помощью рекомбинантных технологий, нужно было к распознающей части цинковых пальцев, которые у нас есть, дополнительно синтезировать и вставить в ту же самую белковую молекулу специальный белковый фрагмент, который обладает нуклеазной активностью. Это значит, что он может нарушать ковалентные связи в молекуле ДНК, то есть разрезать нить ДНК в том месте, где цинковые пальцы распознали определенную последовательность букв генетического текста.

Если мы знаем, какой конкретно генетический текст нужно исправить из-за наличия в нем мутации, и есть определенный нуклеотид, который нуждается в замене, то следующим шагом должна быть эта самая замена с помощью гомологичной генетической рекомбинации.

Технология использования нуклеаз типа цинковых пальцев активно развивалась в первое десятилетие XXI века. Очень большой вклад в разработку нуклеаз цинковых пальцев и связанных с ними методов редактирования генома внес американский генетик российского происхождения Федор Урнов. Однако у этого метода обнаружились и некоторые недостатки. Ограниченное количество известных цинковых пальцев значительно сужает применимость подхода для распознавания любого генетического текста. К тому же эта технология оказалась очень трудозатратной и дорогостоящей, так как для каждой конкретной мишени надо было разрабатывать особую нуклеазу цинковых пальцев, и на это уходило шесть — девять месяцев.

В 2010 году был открыт новый, более перспективный инструмент, позволяющий распознавать и разрезать последовательности генетического текста с большим успехом, чем нуклеазы цинковых пальцев. Это были особые искусственные конструкции, полученные из бактерий растений. Они были названы TALEN (Transcription activator-like effector nucleases), что расшифровывается как эффекторные нуклеазы, схожие с активаторами транскрипции. Распознаванием букв ДНК в них занимаются особые белковые домены, каждый из которых распознает только один нуклеотид. В природе есть прототипы таких доменов: это белки некоторых бактерий-паразитов, живущих в клетках сельскохозяйственных растений. Попадая в ядро растительной клетки, эти бактериальные белки имитируют транскрипционные факторы и связываются с определенными участками ДНК, активируя гены, необходимые для выживания паразита.

Вариабельность нуклеаз TALEN гораздо больше, чем у белков типа цинковых пальцев, и направлять нуклеазы можно даже более точно. Но это опять белок который каким-то образом надо сделать рекомбинантным и проверить эффективность его связывания c нашей последовательностью ДНК, которая является мишенью. Потом к нему должен быть присоединен фермент, обладающий нуклеазной активностью, то есть разрезающий ДНК в нужном месте. Это тоже достаточно сложно и трудоемко, к тому же взаимодействие двух разных белковых доменов может быть неоднозначным, да и специфичность не всегда возрастает. Тем не менее открытие TALEN'ов повысило интерес человека к точному редактированию генома.

Но почему надо обязательно заменять? Мы можем просто разрезать ДНК и не производить никакой гомологичной рекомбинации. Тогда, естественно, работа клетки нарушится. Как ни странно, это тоже инструмент, ведь для того, чтобы изучить работу гена в живой системе, нужно этот ген удалить и посмотреть, что будет без него. Этот стандартный исследовательский прием получил название генетический нокаут, или вышибание гена. В 2010 году была присуждена Нобелевская премия за разработку генетического нокаута с использованием эмбриональных стволовых клеток на экспериментальных моделях — мышах. Там тоже все основывалось на гомологичной рекомбинации, но если в природе такая рекомбинация происходит с частотой 10^-6-10^-7 событий на одну клетку, то в системе редактирования генома за счет внесения разрыва ДНК в нужном месте эффективность этого процесса повышается на три-четыре порядка. Это принципиально меняет трудозатраты и подход.