Возможности, проблемы, перспективы.
Технологии геномного редактирования стремительно входят в нашу жизнь, правда, пока в основном как инструмент научно-исследовательской работы. Осваивают их и отечественные селекционеры. Для чего им нужны подобные технологии и каких результатов удалось достигнуть, рассказывают врио директора ФИЦ «Всероссийский институт генетических ресурсов растений имени Н.И. Вавилова», профессор РАН Елена Хлёсткина и сотрудник лаборатории генной инженерии ФИЦ «Институт цитологии и генетики СО РАН», к.б.н. Софья Герасимова.
– Елена Константиновна, давайте начнем с того, чем геномное редактирование отличается от создания ГМО и какие возможности для селекции оно открывает в целом?
Е. Хлёсткина: – Строго говоря, ГМО – это чисто юридический термин, применяемый для регуляции некоторых аспектов хозяйственной деятельности, и сравнивать его с какими-либо биологическими понятиями не корректно. А геномное редактирование – это комплекс методов по направленной модификации структуры ДНК в клетке. Определение ГМО зависит от страны и ее законов, а суть геномного редактирования абсолютно одинакова во всем мире. Будет закон о ГМО как-то регулировать данный аспект деятельности или нет, зависит от тех людей, которые несут ответственность за юридические решения. Что касается возможностей, особенностью геномного редактирования являются, во-первых, высокая точность и эффективность модификаций, и во-вторых, невозможность отличить эти модификации от естественных мутаций.
Поэтому, даже если данный комплекс методов применительно к растениям будет законодательно ограничен, не будет возможности реально проконтролировать полностью исполнение данного закона.
Наиболее вероятно, это приведет лишь к жестокому контролю над применением метода в подконтрольных государству организациях и ограничению разработок легальными разработчиками. И одновременно наш рынок займут импортные генномодифицированные продукты и семенной материал, потому что заграничные производители находятся вне рамок нашей законодательной регуляции. И самым вероятным результатом ограничения работ по редактированию геномов растений в России станет серьезное конкурентное преимущество у зарубежных поставщиков.
– Получается, если говорить не о мировой селекции в целом, методы редактирования генома сегодня очень востребованы?
Е.Х.: – Дело в том, что геномное редактирование позволяет очень быстро, в пределах одного года, исправлять некоторые характеристики сорта. На эту «шлифовку» генотипа при классических подходах ушли бы годы. Соответственно, геномное редактирование открывает перспективы для быстрого достижения желаемого результата не только по урожайности сорта или другим его характеристикам, важным на рынке, но и дает гибкость и возможность адаптировать сорта к изменяющимся условиям среды, в том числе к смене рас патогенов.
– Какие наиболее актуальные задачи, стоящие перед нашим сельским хозяйством, в частности, в Сибири, можно решать с помощью технологий геномного редактирования?
Е.Х.: – В данный момент технологии геномного редактирования находятся на этапе стремительного развития. Ряд задач, которые до прошлого года даже не рассматривались, в этом году уже становятся совершенно доступными для решения с помощью данных технологий. Очень показательным примером является так называемая «доместикация de novo». Суть концепции в ускоренной доместикации дикого родственника сельскохозяйственной культуры. Дикие родственники культурных растений активно вовлекаются в селекцию, потому что обладают устойчивостью ко многим неблагоприятным факторам и служат донорами «генов устойчивости». Однако простое скрещивание с «дикарем» ведет к получению не элитных сортов, а «полукультурок», которые подчас вообще не сохраняют признаков сорта и теряют многие полезные для человека свойства. Современные знания о геномах диких и домашних растений выявили так называемые «гены доместикации», мутации в которых превращают дикую форму в пригодную для возделывания. Идея «доместикации de novo» состоит в направленном внесении нужных мутаций в «гены доместикации» дикого родича растения и превращения дикаря в культурную форму. Ускоренная доместикация стала одной из главных новостей науки осени 2018 года. У нас перспектива использования «доместикации de novo» была предсказана еще в 2016 году. Сейчас эта идея реализуется полным ходом: 1 октября 2018 года в один день в журналах группы Nature вышли три статьи. Результаты этих работ потрясают воображение тех, кто привык считать процесс одомашнивания растений многовековым: за одно поколение дикий родственник томата превратился в культурный помидор, то же самое было сделано на физалисе.
Если можно за одно поколение «одомашнить» дикую форму, то безусловно, намного менее радикальные, но в то же время весьма ценные модификации можно вносить в уже существующие сорта. В частности, повышать продуктивность, ускорять созревание плодов/семян, увеличивать их срок хранения и повышать их насыщенность ценными микроэлементами, а также снижать аллергенность или улучшать вкус.
Для реализации этих подходов одним из ключевых факторов является наличие информации о генах, контролирующих данные признаки. Над выявлением этих так называемых генов-мишеней усердно трудятся генетики. Особенное внимание они уделяют поиску генов иммунитета растений с тем, чтобы, используя сведения о них, повысить устойчивость возделываемых растений к патогенам и вредителям.
– Софья Викторовна, какими возможностями для развития этого направления располагает ИЦиГ и насколько эти компетенции уникальны в масштабах страны и Сибири?
С.В. Герасимова: – Мы являемся одними из пионеров в развитии этого направления в России как в идейном, так и в технологическом плане. Достигнут первый в стране успешный результат по редактированию сельскохозяйственной культуры, а именно такого сложного с биотехнологической стороны объекта, как ячмень. В ИЦиГ СО РАН сейчас растут потомки первых отредактированных растений ячменя, в которых изменена морфология колоса для более легкого его обмолота и отделения несъедобных жестких пленок от зерна. В научных терминах «пленчатый» ячмень стал «голозерным». Для этого было достаточно одной точечной целенаправленной мутации, которая была внесена нами в геном ячменя при помощи технологии геномного редактирования CRISPR/Cas. На получение первых отредактированных растений с момента начала работ ушел год. Второе поколение мутантных растений не несет никаких чужеродных генов, эти растения не являются трансгенными. Мы лишь воспроизвели событие, встречающееся у злаков в природе: голозерность как признак, возникла в процессе культивирования и является классическим «геном доместикации» у многих злаков. Но хотя мутирование генов – естественный процесс, вероятность получить таким способом нужную мутацию в нужном гене крайне низка. Технологии геномного редактирования позволяют поднять эту вероятность на порядки и нацелиться на нужные гены, не затрагивая другие. Кроме ячменя, мы выбрали для своих исследований еще один очень сложный в биотехнологическом отношении объект – дикие виды картофеля – для реализации впервые возникшей здесь два года назад идеи доместикации de novo. Мы не обладаем таким богатым техническим арсеналом, который бы позволил нам конкурировать с ведущими мировыми лабораториями, реализовавшими идею доместикации de novo (на других объектах) раньше, чем мы. Наша цель – сделать клубни диких видов картофеля съедобными и далее использовать полученные формы в селекционном процессе с тем, чтобы передать культурным сортам картофеля полезные гены иммунитета, не испортив при этом качество клубней.
– В чем заключается суть проекта РНФ, который Вы с коллегами реализуете, и какие результаты уже получены?
С.Г.: – Проект называется «Поиск целевых генов и оптимизация подходов по модификации геномов для получения новых форм злаков с заранее заданными свойствами». В части задачи, связанной с геномным редактированием, суть заключается в постановке этого метода на ячмене с переходом от модельного сорта ячменя к элитным сибирским сортам. Мы запланировали модифицировать два признака: из пленчатого ячменя сделать голозерный и из двурядного – шестирядный. Каждый признак контролируется одним геном, мутация в котором должна привести к желаемому изменению фенотипа. Нам удалось за одно поколение получить голозерные растения модельного сорта из пленчатых, а наши коллеги в Германии опередили нас и сделали шестирядный ячмень из двурядного. Параллельно мы делали работу по подбору элитных сибирских сортов для проведения аналогичных модификаций. Дело в том, что метод подразумевает этап регенерации целого растения из родной клетки, но не каждый сорт имеет такую способность. В результате, мы выделили три самых перспективных сорта, и на клетках одного из них уже показали возможность модификации целевых генов, контролирующих голозерность и шестирядность, методом геномного редактирования.
Демонстрация такой возможности и была одной из целей проекта. Сама по себе постановка технологии – лишь полпути к ее широкому практическому применению. Важна информация о будущих генах-мишенях для дальнейшей селекции. На это направлена другая цель проекта – выявление хозяйственно-ценных геномных локусов в сибирских сортах ячменя.
К настоящему моменту выявлен целый ряд локусов, связанных с иммунитетом ячменя и его продуктивностью. Эта информация при определенном развитии исследования будет использована для будущего ускоренного создания сортов ячменя с заданными свойствами, в том числе (но не только) с применением технологий геномного редактирования.
– Как показывает Ваш опыт, насколько сложно на практике заниматься редактированием генома злаков, какие есть «подводные камни» и трудности в этой работе?
С.Г.: – Мы располагаем достаточным багажом знаний и навыков для выполнения подобных работ, однако, нам пока не хватает технической оснащенности, чтобы проводить такие работы полностью самостоятельно. На определенном этапе работы нам пришлось воспользоваться инфраструктурой наших коллег в Германии (IPK, Гатерслебен). Проблема в том, что растения, которые используются для модификации генома, должны быть выращены одновременно при очень высоком уровне освещения, низких температурах и полном отсутствии патогенов. Такие условия невозможно достичь ни в поле, ни в теплице. Создать такие условия можно только в специализированной изолированной камере с высоким уровнем контроля условий и с высоким уровнем стерильности. Это технически очень сложный и очень дорогой прибор. Если такие приборы будут установлены у нас, мы сможем проводить весь цикл работ по геномному редактированию злаков, и соответственно, масштабному получению сортов с заданными свойствами.
– Как проекты будут развиваться дальше и когда можно ожидать первые отечественные сорта, созданные с применением геномного редактирования? От каких факторов и инстанций зависит скорость этого процесса?
Е.Х.: – Дальше планируется завершение работ по анализу модифицированных растений ячменя и получению на их основе стабильных линий, сохраняющих свои свойства в поколениях. Нам сейчас необходимо убедиться, что внесенные изменения не ухудшили хозяйственных качеств сорта. Для этого нам нужно размножить наши растения, получить их в достаточном числе, чтобы провести достоверное сравнение с исходным материалом. Говорить об ожиданиях какого-то практического характера пока рано, поскольку не до конца урегулировано применение данных методов для целей сельскохозяйственного производства.
С.Г.: – Кроме того, объем финансирования не позволяет установить необходимую инфраструктуру и обрести независимость в ведении работ такого уровня. Будучи первыми, кто начал разрабатывать идею доместикации de novo, мы не получили своевременного финансирования, потеряли год, что очень много при современных темпах развития методов. И сейчас вышли статьи зарубежных коллег в Nature, с которыми мы не имели возможности конкурировать. Работы мы, все же ведем, но приоритет в этом направлении уже потеряли. Получается, скорость и эффективность нашей работы зависит от того, являются ли подобные исследования приоритетом для структур, распределяющих ресурсы для научных организаций и групп.