Открыто 125 тысяч вирусных геномов, опровергнута роль амилоидных бляшек в развитии болезни Альцгеймера, найдено вещество, продляющее жизнь, удалён геном вируса иммунодефицита из ДНК клеток человека, получен новый сорт пшеницы с урожайностью выше на 40 %, родился первый ребёнок от трех родителей, начался проект «Human Genome Project – Write». После 2016-го жизнь точно не будет прежней. Эксперты САЕ «Синтетическая биология» Новосибирского государственного университета составили список из десяти самых судьбоносных событий в синтетической биологии за 2016 год.
Эксперты, принявшие участие в создании материала:
10. Новая «партитура» для клетки
Начнём, пожалуй, с открытия, непосредственное отношение к которому имеют представители САЕ «Синтетическая биология». В 2016 году был обнаружен новый вид эпигенетической модификации ДНК. Напомним, что, в отличие от четырех канонических оснований ДНК – аденина, гуанина, тимина и цитозина, в которых закодирована генетическая информация – эпигенетические модификации ДНК играют роль «партитуры», говоря клетке о том, какую часть генетической информации читать, какую нет, и что с ДНК делать, помимо её чтения. До 2009 года была известна ровно одна эпигенетическая модификация ДНК — 5-метилцитозин, который в целом служит для снижения уровня чтения генов, где он присутствует. В 2009 году открыли 5-гидроксиметилцитозин, который, напротив, усиливает экспрессию генов. Третий вид эпигенетической модификации в геноме человека, N6-метиладенин, был обнаружен в 2015 году, и его функции до сих пор не ясны. И вот, наконец, в уходящем году лаборатория защитно-репарационных систем ФЕН НГУ (завлабораторией – член-корреспондент РАН Ольга Лаврик) совместно с коллегами из Франции открыла четвертый вид сигнальной модификации ДНК – поли(АДФ)рибозилирование (иначе называемое парилированием), присоединение полимера из аденозиндифосфатных звеньев. В отличие от других видов модификации, парилирование нужно не для регулирования экспрессии генов, а служит сигналом о разрывах ДНК для систем ее репарации, помогая быстро и эффективно чинить повреждения в нашем геноме.
9. В 16 раз больше известных вирусных генов!
Когда мы говорим о биосфере, то обычно представляем себе животных и растения, а если более-менее разбираемся в биологии, то понимаем, что бактерии, грибы и другие одноклеточные играют ещё более важную роль. Но, оказывается, есть и огромный слой биосферы, до сих пор почти ускользавший от внимания ученых. Технологические прорывы в секвенировании ДНК привели к открытию в 2016 году огромного числа вирусов – появился даже термин «виросфера». Так, китайские ученые из Центра контроля и предотвращения заболеваний в Пекине, исследовав 220 видов беспозвоночных, открыли 1445 новых видов РНК-содержащих вирусов, многие их которых принадлежат к ранее неизвестным группам. А проведенный калифорнийским Институтом генома анализ ДНК из 3000 образцов почвы, воды и прочего, взятых по всему земному шару, выявил 125 тысяч вирусных геномов и в 16 раз увеличил число известных вирусных генов. Человечество только начинает понимать процессы, происходящие в этой гигантской «серой зоне» биосферы.
8. Интрига Альцгеймера
Уходящий год ознаменовался неожиданным поворотом в исследованиях болезни Альцгеймера. Самый известный признак патогенеза при болезни Альцгеймера – отложения, образуемые в мозге пептидом β-амилоидом, так называемые амилоидные бляшки. Достаточно давно идут дебаты о том, вызывает ли образование этих бляшек саму болезнь, или, наоборот, они образуются, чтобы снизить токсичность растворимой формы пептида. В 2016 году исследователи из Массачусетского общеклинического госпиталя в Гарварде внезапно обнаружили, что амилоидные бляшки работают как часть иммунной системы головного мозга, захватывая болезнетворные микроорганизмы. Больше всего, наверное, огорчились соседи из бостонской фирмы «Биоген», которые почти одновременно сообщили об успешных клинических испытаниях адуканумаба – лекарства от болезни Альцгеймера на основе моноклональных антител к β-амилоиду.
7. Эликсир жизни
На фронте борьбы со старением — и хорошие, и плохие известия. Исследовав глобальные демографические данные, начиная с конца XIX века, Ян Вейг и коллеги из Медицинского колледжа имени Альберта Эйнштейна в Нью-Йорке утверждают, что дольше 125 лет человек жить в принципе не может. Статья Вейга вызвала в научном сообществе бурные дебаты, смысл которых сводился к тому, что существование какого-то естественного предела продолжительности жизни совершенно не удивительно, но успехи медицины могут его и значительно отодвинуть. Тем более, что в уходящем году был выяснен механизм, по которому метформин – распространенное и достаточно безвредное лекарство от сахарного диабета – ощутимо продляет жизнь червей и мышей. Вдохновляющий пример дает нам гренландская полярная акула – опубликованное в августе исследование датских зоологов по радиоуглеродному датированию хрусталика акульего глаза показало, что даже в полной опасностей дикой природе эти хищницы доживают до 400 лет.
6. CRISPR/Cas против СПИДа
Продолжает победное шествие технология геномного редактирования, основанная на системе бактериального иммунитета CRISPR/Cas. В феврале 2016-го Великобритания стала первой страной, где было официально разрешено редактирование генома человеческих эмбрионов. Если же говорить о научных достижениях, их было множество. Приведем только два примера. Группе Камеля Халили из университета Темпл в Филадельфии удалось впервые удалить геном вируса иммунодефицита человека из ДНК клеток хозяина – сначала из клеток человека в культуре, а потом и из крыс и мышей модельных линий. Это огромный шаг к победе над СПИДом — ни одно существующее лекарство не может справиться с вирусом, который уже встроился в хозяйскую ДНК, и до открытия систем геномного редактирования было вообще непонятно, как подойти к этой проблеме. А в ноябре большой международный коллектив во главе с Хуаном Карлосом Исписуа-Бельмонте из американского Института Солка сообщил о восстановлении зрения у слепых крыс с дегенерацией сетчатки — заболеванием, чаще всего служащим причиной слепоты у пожилых людей. Исследователи продолжали усовершенствовать и саму систему CRISPR/Cas, делая ее более точной и эффективной и придавая ей новые функции, что приближает практическое применение в медицине. Например, был обнаружен способ выключать работу системы с использованием белковых ингибиторов, кодируемых некоторыми мобильными генетическими элементами бактерий. А конструкции, в которых «адресующий» белок Cas9 дополнительно несет модули для эпигенетической модификации ДНК, были с успехом использованы для перепрограммирования клеток: из фибробластов (клеток соединительной ткани) таким способом были сделаны нейроны и мышечные клетки.
5. Макаки-аутисты
Геномная инженерия дает учёным мощные инструменты для исследования болезней. В шанхайском Институте нейробиологии китайские исследователи под руководством Цю Цзылуна и Сун Цяна получили макак, страдающих заболеванием, напоминающим человеческий аутизм. Для этого обезьянкам в геном подсадили несколько дополнительных копий гена MeCP2, который кодирует белок, связывающийся с эпигенетическим основанием 5-метилцитозином (см. наше открытие №10). Из-за этого активность многих генов, где находится 5-метилитозин, снижается. У человека мутации в гене MeCP2, которые его инактивируют, вызывает другое неврологическое заболевание — синдром Ретта, а для увеличенной дозировки MeCP2 связь с аутизмом долго подозревалась, но окончательно до сих пор не доказана. Понадобится еще много работы, чтобы выяснить, каким образом измененный уровень белка MeCP2 вызывает нарушения поведения, и в таких исследованиях модельные животные, созданные путем геномной инженерии, просто незаменимы.
4. Борьба за урожай
Геномные инженеры работают не только над тем, чтобы излечить человечество, но и чтобы накормить его. Новость, пришедшая в ноябре из Великобритании, говорит о том, что в решающую фазу вступают попытки человека усовершенствовать фотосинтез. Ученые из Эссекского университета и Ротамстедского института растениеводства запросили разрешения британского правительства на полевые испытания нового сорта пшеницы. У этих растений в геном внедрено несколько копий гена, кодирующего фермент с зубодробительным названием седогептулозобисфосфатаза. Он участвует в регенерации так называемых пятиуглеродных сахаров: в глюкозе и многих других привычных нам моносахаридах шесть атомов углерода, и растения при фотосинтезе присоединяют CO2 как раз к пятиуглеродному сахару, чтобы получилось шесть углеродов. Поставка пятиуглеродных сахаров в фотосинтетический цикл — «узкое место» метаболизма растений, и увеличение количества седогептулозобисфосфатазы позволяет поднять урожай на 40%. По крайней мере, так утверждают создатели нового сорта. Для сравнения — выращивание пшеницы в теплице при практически идеальных условиях дает прибавку всего в 15–20%. Правда, материалы британских растениеводов еще не опубликованы в рецензируемых журналах, а, может, и никогда не будут опубликованы, учитывая фантастические коммерческие перспективы.
3. Минимальный геном
Не останавливались в 2016 году и работы в фундаментальной части синтетической биологии. Пионер этой области науки Крейг Вентер в своем личном институте имени себя синтезировал бактерию с минимальным геномом. Вентеровцы опирались на свою работу 2010 года, когда они провели полный химический синтез и сборку ДНК бактерии Mycoplasma mycoides, обладающей самым маленьким известным геномом – всего около 1 миллиона пар нуклеотидов (у кишечной палочки Escherichia coli геном длиннее в 4 раза, а у человека – в 3000 раз). Систематически исследовав гены микоплазмы, группа Вентера смогла выкинуть все, которые не были необходимы для жизнедеятельности. Полученная бактерия, названная JCVI-syn3.0, имеет геном всего в 531 тысячу пар нуклеотидов и 473 гена. К удивлению исследователей, оказалось, что функции 149 из них на сегодняшний момент неизвестны, что еще раз показывает, как мало мы пока знаем об устройстве живой клетки. Впрочем, не исключено, что жизнь может обойтись даже меньшим — проведенный учеными из Института молекулярной эволюции в Дюссельдорфском университете анализ всех известных бактериальных геномов показал, что последний общий предок всех живых организмов (биологи зовут его Лука, от английского Last Universal Common Ancestor — «последний универсальный общий предок») оставил нам всем в наследство всего 355 генов. Еще одно достижение синтетической биологии позволяет надеяться на то, что в скором будущем удастся расширить репертуар аминокислот, входящих в белки: две группы из Гарварда и Кембриджа независимо друг от друга перебрали весь геном E. coli, избавившись от некоторых кодонов — «трехбуквенных» сочетаний, определяющих, какая аминокислота должна включаться в белок. Теперь неиспользуемые кодоны можно приспособить под введение неприродных аминокислот в состав белков. Успехи в синтезе и дизайне бактериальных геномов подвигли биологов на то, чтобы замахнуться на полный синтез человеческого генома — в июне международный консорциум, когда-то прочитавший геном человека, объявил о начале проекта «Human Genome Project — Write», который планирует за 10 лет достичь этой цели.
2. Мама, папа и ещё одна мама
Возвращаясь от фундаментальной науки к практике, нельзя не отметить рождение в июле 2016 года первого «ребёнка от трёх родителей» — мальчика, зачатого с использованием нового метода экстракорпорального оплодотворения, известного как «метод цитоплазматической замены». Некоторые наследственные заболевания человека вызваны мутациями в ДНК митохондрий — цитоплазматических органелл, отвечающих за производство энергии в клетке. Уже довольно давно существуют технологии, позволяющие переносить ядро из одной клетки в другую (например, знаменитая овечка Долли была клонирована именно так). Казалось бы, нет ничего проще — если женщина страдает болезнью митохондрий и хочет родить здорового ребёнка, можно ядро её яйцеклетки пересадить в яйцеклетку донора, из которой нужно предварительно удалить её собственное ядро. Подавляющее большинство генов всё равно будет от мамы, а 37 митохондриальных — от посторонней тёти. Однако практическое применение этой технологии было ограничено многочисленными этическими проблемами. Только в 2015 году применение цитоплазматической замены было разрешено в Великобритании. Парадоксально, но первая успешная операция была сделана вовсе не там, а в частной клинике в Мексике американским доктором Джоном Чжаном. Пациенткой стала 36-летняя женщина, страдающая синдромом Лея — тяжким нейродегенеративным заболеванием из-за дефекта в синтезе АТФ митохондриями — и уже потерявшая двух детей от переданной им по наследству болезни. Практически вся митохондриальная ДНК малыша, как показал анализ, происходит от донора, и он здоров. Вскоре после сообщения об успешной цитоплазматической замене появились слухи, ничем пока не подтвержденные, о проведении таких операций в Китае и на Украине.
1. Вирус года
Главной новостью уходящего года в науках о жизни, по мнению наших экспертов, стала не какая-то одна статья или одно открытие, а множество исследований и организационных мер, связанных с эпидемией лихорадки Зика, вспыхнувшей в Бразилии и чуть было не охватившей весь мир. До прошлого года о вирусе Зика было известно очень мало — просто потому, что случаи заболевания можно было буквально пересчитать по пальцам. Как выяснили эпидемиологи, нынешняя вспышка началась с островов Тихого океана в 2007 году и в 2015 докатилась до Южной Америки. Вирус вызывает нетяжелое заболевание с температурой, головной болью и сыпью, да и эти симптомы наблюдаются в среднем у одного человека из пяти, так что, если бы дело ограничивалось простой лихорадкой, мало кто обратил бы внимание на новую напасть. Однако оказалось, что в районах, охваченных болезнью, резко повысилась частота рождения детей с микроцефалией — аномалией развития головного мозга. Понадобилось довольно много усилий, чтобы доказать, что это не совпадение, а действительно лихорадка у беременных вызывает аномалии у плода — но в 2016 году надежные доказательства появились, и оказалось, что проблемы возникают у детей 40% переболевших лихорадкой Зика рожениц. После этого службы здравоохранения в южноамериканских странах, да и не только в них, схватились за голову. Во-первых, вирус переносится комарами, причем самыми обычными в жарких странах желтолихорадочными комарами Aedes aegypti, который долетает даже до Белоруссии. Во-вторых, в Бразилии вскоре открывается Олимпиада, и полмиллиона туристов с гарантией будут покусаны, заражены и развезут эту дрянь по домам. Горячие головы (в том числе, ученые) предлагали отменить Олимпиаду, а женщинам не беременеть, пока про вирус не выяснится больше. Последний совет поддержал даже римский папа Франциск I. Однако эпидемию удалось ограничить достаточно стандартными методами борьбы с комарами – инсектициды, ловушки, противомоскитные сетки. Зато исследований вируса было проведено столько, что фактически за год из малоизвестного возбудителя он превратился в один из самых хорошо изученных флавивирусов – к этой группе принадлежат возбудители гепатита C, желтой лихорадки, клещевого энцефалита и других малоприятных инфекций. И тут нельзя не упомянуть, что представители САЕ «Синтетическая биология» (лаборатория структурной биоинформатики и молекулярного моделирования, завлабораторией – к. б. н. А. Ю. Бакулина) приняли участие в построении трехмерной модели вируса.
Ссылки:
10. Sukhanova M.V., Abrakhi S., Joshi V., Pastre D., Kutuzov M.M., Anarbaev R.O., Curmi P.A., Hamon L., Lavrik O.I. (2016) Single molecule detection of PARP1 and PARP2 interaction with DNA strand breaks and their poly(ADP-ribosyl)ation using high-resolution AFM imaging. Nucleic Acids Res., 44:e60.
Talhaoui I., Lebedeva N.A., Zarkovic G., Saint-Pierre C., Kutuzov M.M., Sukhanova M.V., Matkarimov B.T., Gasparutto D., Saparbaev M.K., Lavrik O.I., Ishchenko A.A. (2016) Poly(ADP-ribose) polymerases covalently modify strand break termini in DNA fragments in vitro. Nucleic Acids Res., 44, p. 9279-9295.
9. Paez-Espino D., Eloe-Fadrosh E.A., Pavlopoulos G.A., Thomas A.D., Huntemann M., Mikhailova N., Rubin E., Ivanova N.N., Kyrpides N.C. (2016) Uncovering Earth’s virome. Nature, 536, p. 425-430.
Shi M., Lin X.-D., Tian J.-H., Chen L.-J., Chen X., Li C.-X., Qin X.-C., Li J., Cao J.-P., Eden J.-S., Buchmann J., Wang W., Xu J., Holmes E.C.,2, Zhang Y.-Z. (2016) Redefining the invertebrate RNA virosphere. Nature, 540, p. 539-543
8. Kumar D.K.V., Choi S.H., Washicosky K.J., Eimer W.A., Tucker S., Ghofrani J., Lefkowitz A., McColl G., Goldstein L. E., Tanzi R. E., Moir R.D. (2016) Amyloid-β peptide protects against microbial infection in mouse and worm models of Alzheimer’s disease. Sci. Transl. Med., 8:340ra72.
Sevigny J., Chiao P., Bussière T., Weinreb P.H., Williams L., Maier M., Dunstan R., Salloway S., Chen T., Ling Y., O’Gorman J., Qian F., Arastu M., Li M., Chollate S., Brennan M.S., Quintero-Monzon O., Scannevin R.H., Arnold H.M., Engber T., Rhodes K., Ferrero J., Hang Y., Mikulskis A., Grimm J., Hock C., Nitsch R.M., Sandrock A. (2016) The antibody aducanumab reduces Aβ plaques in Alzheimer’s disease. Nature, 537, p. 50-56
7. Dong X., Milholland B., Vijg J. (2016) Evidence for a limit to human lifespan. Nature, 538, p. 257-259.
Nielsen J., Hedeholm R.B., Heinemeier J., Bushnell P.G., Christiansen J.S., Olsen J., Ramsey C.B., Brill R.W., Simon M., Steffensen K.F., Steffensen J.F. (2016) Eye lens radiocarbon reveals centuries of longevity in the Greenland shark (Somniosus microcephalus). Science, 353, p. 702-704.
Wu L., Zhou B., Oshiro-Rapley N., Li M., Paulo J.A., Webster C.M., Mou F., Kacergis M.C., Talkowski M.E., Carr C.E., Gygi S.P., Zheng B., Soukas A.A. (2016) An ancient, unified mechanism for metformin growth inhibition in C. elegans and cancer. Cell, 167, p. 1705-1718.
6. Black J.B., Adler A.F., Wang H.-G., D’Ippolito A.M., Hutchinson H.A., Reddy T.E., Pitt G.S., Leong K.W., Gersbach C.A. (2016) Targeted epigenetic remodeling of endogenous loci by CRISPR/Cas9-based transcriptional activators directly converts fibroblasts to neuronal cells. Cell Stem Cell, 19, p. 406-414.
Kaminski R., Bella R., Yin C., Otte J., Ferrante P., Gendelman H.E., Li H., Booze R., Gordon J., Hu W., Khalili K. (2016) Excision of HIV-1 DNA by gene editing: A proof-of-concept in vivo study. Gene Ther., 23, p. 690-695.
Kaminski R., Chen Y., Fischer T., Tedaldi E., Napoli A., Zhang Y., Karn J., Hu W., Khalili K. (2016) Elimination of HIV-1 genomes from human T-lymphoid cells by CRISPR/Cas9 gene editing. Sci. Rep., 6:22555.
Liu X.S., Wu H., Ji X., Stelzer Y., Wu X., Czauderna S., Shu J., Dadon D., Young R.A., Jaenisch R. (2016) Editing DNA methylation in the mammalian genome. Cell, 167, p. 233-247.
Pawluk A., Amrani N., Zhang Y., Garcia B., Hidalgo-Reyes Y., Lee J., Edraki A., Shah M., Sontheimer E.J., Maxwell K.L., Davidson A.R. (2016) Naturally occurring off-switches for CRISPR-Cas9. Cell, 167, p.1829-1838.
Suzuki K., Tsunekawa Y., Hernandez-Benitez R., Wu J., Zhu J., Kim E.J. Hatanaka F., Yamamoto M., Araoka T., Li Z., Kurita M., Hishida T., Li M., Aizawa E., Guo S., Chen S., Goebl A., Soligalla R.D., Qu J., Jiang T., Fu X., Jafari M., Esteban C.R., Berggren W.T., Lajara J., Nuñez-Delicado E., Guillen P., Campistol J.M., Matsuzaki F., Liu G.-H., Magistretti P., Zhang K., Callaway E.M., Zhang K., Izpisua Belmonte J.C. (2016) In vivo genome editing via CRISPR/Cas9 mediated homology-independent targeted integration. Nature, 540, p. 144-149.
5. Liu Z., Li X., Zhang J.-T., Cai Y.-J., Cheng T.-L., Cheng C., Wang Y., Zhang C.-C., Nie Y.-H., Chen Z.-F., Bian W.-J., Zhang L., Xiao J., Lu B., Zhang Y.-F., Zhang X.-D., Sang X., Wu J.-J., Xu X., Xiong Z.-Q., Zhang F., Yu X., Gong N., Zhou W.-H., Sun Q., Qiu Z. (2016) Autism-like behaviours and germline transmission in transgenic monkeys overexpressing MeCP2. Nature, 530, 98-102.
3. Hutchison C.A., 3rd, Chuang R.-Y., Noskov V.N., Assad-Garcia N., Deerinck T.J., Ellisman M.H., Gill J., Kannan K., Karas B.J., Ma L., Pelletier J.F., Qi Z.-Q., Richter R.A., Strychalski E.A., Sun L., Suzuki Y., Tsvetanova B., Wise K.S., Smith H.O., Glass J.I., Merryman C., Gibson D.G., Venter J.C. (2016) Design and synthesis of a minimal bacterial genome. Science, 351:aad6253.
Ostrov N., Landon M., Guell M., Kuznetsov G., Teramoto J., Cervantes N., Zhou M., Singh K., Napolitano M.G., Moosburner M., Shrock E., Pruitt B.W., Conway N., Goodman D.B., Gardner C.L., Tyree G., Gonzales A., Wanner B.L., Norville J.E., Lajoie M.J., Church G.M. (2016) Design, synthesis, and testing toward a 57-codon genome. Science, 353, p. 819-822 . Wang K., Fredens J., Brunner S.F., Kim S.H., Chia T., Chin J.W. (2016) Defining synonymous codon compression schemes by genome recoding. Nature, 539, p. 59-64.
Weiss M.C., Sousa F.L., Mrnjavac N., Neukirchen S., Roettger M., Nelson-Sathi S., Martin W.F. (2016) The physiology and habitat of the last universal common ancestor. Nat. Microbiol., 1:16116.
2. Zhang J., Liu H., Luo S., Chavez-Badiola A., Liu Z., Yang M., Munne S., Konstantinidis M., Wells D., Huang T. (2016) First live birth using human oocytes reconstituted by spindle nuclear transfer for mitochondrial DNA mutation causing Leigh syndrome. Fertil. Steril., 106, p. e375-e376
.jpg "Ученый НГУ наблюдал полное солнечное затмение в штате Индиана")
