[60].
Франсиско Мохика
Первым функцию повторяющихся последовательностей установил Франсиско Мохика, аспирант Университета Аликанте, находящегося на средиземноморском побережье Испании. В 1990 году он приступил к работе над диссертацией об археях, которые, как и бактерии, представляют собой одноклеточные организмы, не имеющие ядер. Археи, которые он изучал, живут в соленых водоемах, где концентрация соли в десять раз выше, чем в океане. Мохика секвенировал области, которые, как он полагал, могли объяснить любовь архей к соли, и заметил четырнадцать идентичных последовательностей ДНК, повторяющихся с регулярными интервалами. Они были палиндромными, то есть читались одинаково в обоих направлениях[61].
Сначала Мохика решил, что напортачил с секвенированием. “Я подумал, что совершил ошибку, ведь секвенирование тогда было непростым делом”, – со смехом вспоминает он. Но уже к 1992 году, снова и снова замечая в своих данных регулярные повторы, Мохика заинтересовался, не сталкивался ли кто-нибудь с подобным. Еще не существовало ни Google, ни онлайн-баз, поэтому он вручную перебирал упоминания слова “повтор” в печатном каталоге научных статей Current Contents. Поскольку дело было в прошлом веке, когда в интернет выкладывалось лишь малое число публикаций, всякий раз, когда Мохика обнаруживал любопытную статью, ему приходилось идти в библиотеку и искать соответствующий журнал. В конце концов он добрался до статьи Исино.
Бактерия E. coli, которую изучал Исино, сильно отличается от архей Мохико. Было удивительно, что в ДНК обоих организмов присутствовали повторяющиеся последовательности и спейсеры. Отметив это, Мохико пришел к выводу, что исследуемый феномен имеет важное биологическое значение. В статье, опубликованной в 1995 году, Мохика и его научный руководитель назвали такие повторы “тандемными” и сделали предположение – как оказалось, неверное, – что они каким-то образом задействованы в процессе воспроизводства клетки[62].
Мохика недолго проработал на позиции постдока в Солт-Лейк-Сити, а затем в Оксфорде, но после этого в 1997 году вернулся в Университет Аликанте, расположенный совсем недалеко от места его рождения, и организовал исследовательскую группу для изучения загадочных повторяющихся последовательностей. Обеспечить финансирование проекта оказалось непросто. “Мне говорили, что не стоит зацикливаться на повторах, потому что в организмах наблюдается множество подобных феноменов и в моем, вероятно, нет ничего особенного”, – вспоминает Мохика.
И все-таки он знал, что у бактерий и архей очень мало генетического материала. Они не могут позволить себе расходовать его на создание последовательностей, не имеющих важной функции. Он пытался определить назначение сгруппированных повторов. Возможно, они помогали формировать структуру ДНК или создавали петли, за которые цеплялись белки? Обе гипотезы также оказались неверными.
К тому времени ученые обнаружили повторяющиеся последовательности у двадцати разных видов бактерий и архей, и появилось множество разных названий для их обозначения. Мохике не нравился термин “тандемные повторы”, на котором настоял его научный руководитель. Последовательности располагались с интервалами, а не стояли в тандеме. Он предложил другое название – “короткие повторы, регулярно разделенные промежутками” (short regularly spaced repeats, SRSR). Хотя оно лучше описывало феномен, название не запоминалось, а его аббревиатура была непроизносимой.
Мохика переписывался с Рудом Янсеном из Утрехтского университета в Нидерландах. Янсен изучал такие последовательности в бактериях туберкулеза и называл их “прямыми повторами”, но тоже считал, что нужно придумать им более удачное наименование. Однажды вечером, когда Мохика ехал домой из лаборатории, ему в голову пришло название CRISPR, от clustered regularly interspaced short palindromic repeats (“короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами”). Хотя запомнить длинную и неуклюжую фразу было практически невозможно, аббревиатура CRISPR оказалась короткой и звучной. Она звучала приятно, а не грозно, и выглядела достаточно футуристично. Приехав домой, Мохика спросил жену, как ей такое название. “Хорошая кличка для собаки, – ответила она. – Криспер, Криспер, ко мне, малыш!” Мохика рассмеялся и решил, что название подойдет.
Двадцать первого ноября 2001 года Янсен похвалил название, отвечая на письмо с предложением, пришедшее от Мохики. “Дорогой Фрэнсис, – написал он, – какая прекрасная аббревиатура – CRISPR! Такое впечатление, что недостаток букв в альтернативных вариантах делает их менее звучными, поэтому я выбираю колкое CRISPR вместо SRSR и SPIDR”[63].
Янсен официально ввел название в обиход в статье, опубликованной в апреле 2002 года, где сообщил об открытии генов, предположительно связанных с CRISPR. В большинстве организмов, имеющих CRISPR, повторяющиеся последовательности фланкируются одним из этих генов, кодирующих инструкции для создания фермента. Янсен назвал их ферментами Cas (от CRISPR-associated, “CRISPR-ассоциированный”)[64].
Когда в 1989 году Мохика начал секвенировать ДНК микробов, которые обожали соль, процесс секвенирования гена был весьма медленным. Но впоследствии в рамках проекта “Геном человека”, который тогда лишь начинал свою работу, были созданы новые высокоскоростные методы секвенирования. К 2003 году, когда Мохика сосредоточился на том, чтобы выяснить, какую роль играли CRISPR, были секвенированы геномы почти двухсот бактерий (а также геномы человека и мыши).
В том августе Мохика проводил отпуск в прибрежном городке Санта-Пола, расположенном примерно в двадцати километрах к югу от Аликанте, в гостях у родителей жены. Такой отдых был ему не по душе. “Я терпеть не могу песок и ненавижу бывать на пляже летом, когда там жарко и полно народу, – говорит он. – Пока моя жена загорала на пляже, я ездил в свою лабораторию в Аликанте. Жена прекрасно проводила время на пляже, а мне было гораздо интереснее анализировать последовательности из бактерий E. coli”[65]. Настоящего ученого видно за версту.
Ему не давали покоя “спейсеры” – области обычных на вид последовательностей ДНК, которые разделяли повторяющиеся сегменты CRISPR. Он взял спейсеры E. coli и сравнил их с имеющимися в базах данными. Открылась любопытная вещь: спейсеры совпадали с последовательностями, которые обнаруживались в вирусах, атакующих E. coli. Мохика увидел такую же картину, когда посмотрел на другие бактерии с последовательностями CRISPR: их спейсеры совпадали с последовательностями из вирусов, атакующих эти бактерии. “Вот это да!” – воскликнул он.
Однажды вечером, удостоверившись в своем открытии, он рассказал о нем жене, когда вернулся в дом у моря. “Я только что открыл кое-что удивительное, – сказал он. – У бактерий есть иммунная система. Они запоминают, какие вирусы атаковали их в прошлом”. Его жена рассмеялась, призналась, что не совсем понимает, о чем он говорит, но заверила его, что нисколько не сомневается в важности его открытия, раз Мохика так взволнован. “Вот увидишь, через несколько лет о том, что я только что открыл, будут писать в газетах и учебниках истории”, – ответил он. Но в это она не поверила.
Оказалось, что Мохика обнаружил поле битвы самой долгой, самой масштабной и самой жестокой войны на этой планете: войны бактерий и атакующих их вирусов, называемых “бактериофагами” или просто “фагами”. Фаги – самая многочисленная группа вирусов в природе и самая многочисленная биологическая общность на земле. Их количество составляет 1031 – их больше, чем всех остальных организмов (включая бактерии), вместе взятых, и на каждую песчинку приходится по триллиону фагов. В одном миллилитре морской воды может содержаться до 900 млн таких вирусов[66].
Нам, людям, нелегко бороться с новыми штаммами вирусов, и стоит отметить, что бактерии занимаются этим около трех миллиардов лет (плюс-минус несколько миллионов столетий). Почти с самого зарождения жизни на нашей планете идет активная гонка вооружений между бактериями, у которых в ходе эволюции появились сложные механизмы защиты от вирусов, и эволюционирующими вирусами, ищущими способы прорвать их оборону.
Мохика обнаружил, что бактерии со спейсерами CRISPR обладают иммунитетом к инфекции, которая переносится вирусом с такими же последовательностями. Но бактерии без спейсеров оказываются инфицированными. Такая хитроумная система защиты имела и еще одну любопытную характеристику: судя по всему, она адаптировалась к новым угрозам. Когда появлялся новый вирус, выживавшие в борьбе с ним бактерии интегрировали в свой геном часть его ДНК и таким образом передавали своему потомству приобретенный иммунитет к этому вирусу. Мохика вспоминает, как прослезился, осознав это[67]. Природа и правда бывает удивительно прекрасна.
Это было оригинальное и поразительное открытие, которое привело к серьезным последствиям. Но опубликовать его Мохике оказалось на удивление непросто. В октябре 2003 года он отправил статью с названием “Прокариотические повторы задействованы в иммунной системе” в журнал Nature, фактически показывая, что системы CRISPR позволяли бактериям приобретать иммунитет к вирусам. Редакторы даже не представили статью на рецензию. Они сочли – и оказались в этом неправы, – что в ней не содержится ничего существенно нового относительно ранее опубликованных работ о CRISPR. Они также отметили – уже вполне справедливо, – что Мохика не представил данных лабораторных экспериментов, демонстрирующих принцип работы системы CRISPR.