Как работает редактирование генома — новейшая технология излечения генетических заболеваний
Лейкемия, мышечная дистрофия, несовершенный остеогенез, ВИЧ, болезнь Хантингтона, рак всех разновидностей, прочие генетические заболевания… Как бы вы стали их лечить, если бы были богом? Взмахнули бы рукой, чтобы болезни просто исчезли? Или вырезали бы из ДНК пациентов мутировавшие гены, чтобы заменить их здоровыми? Так вот, чтобы это сделать, не нужно быть богом. Для этого людям нужен только CRISPR/Cas9.
Более того: уже совершенно точно известно, что лет через 20-30 удаление генетических неполадок у плода на ранних стадиях беременности станет такой же нормальной процедурой, как прививка. От рака можно будет вылечиться за один укол, а ВИЧ или малярия уйдут в прошлое, как черная оспа или полиомиелит.
***
ДНК — это молекулы, составляющие информационную основу всех живых клеток. Длинными последовательностями из четырех химических структур, называемых нуклеотидами, ДНК кодируют белки, из которых сделаны все живые организмы. В ДНК человека больше трех миллиардов нуклеотидов, кодирующих более 25 тысяч разных белков. Последовательность нуклеотидов, кодирующая один белок, называется геном. Неправильная последовательность нуклеотидов в гене приводит к нарушению последовательности аминокислот в белке (химических «деталей», из которых белки собираются). А неправильная последовательность аминокислот — к неадекватному функционированию белка. Так работают генетические заболевания.
Бактериям не дают премий
Редактирование ДНК даже в одной хромосоме (а таких «жестких дисков» с кодом в каждой клетке 46) похоже на попытку монтажа 850 километров 35-миллиметровой пленки, смотанной в один огромный клубок. Мы знаем, что где-то там есть плохо снятая сцена, которую нужно вырезать и заменить на другую, но мы не знаем ни где она, ни как к ней подобраться.
До начала двухтысячных годов генная инженерия (если можно сказать, что она до этого времени существовала) заключалась примерно в том, чтобы издалека кидаться ножницами в этот клубок пленки и надеяться, что что-то произойдет. Чаще всего это приводило к возникновению случайных мутаций у подопытных организмов, на основании чего ученые медленно, но верно пытались определить функции всех генов, до которых могли дотянуться.
ДНКФото: pixabay.com
И только немногим больше 10 лет назад ученые начали применять особые белки, мегануклеазы, способные разрезать ДНК в каком-то определенном месте. Белки эти работали как механические роботы с ножницами: они могли определить часть пленки, в которой была нужная сцена, и разрезать ее в точно заданном месте. К сожалению, для каждой сцены нужно было делать своего робота — их конструкция позволяла распознавать только одно место. Для каждой новой задачи приходилось синтезировать свою мегануклеазу, а это было дорого, медленно и не гарантировало, что новый белок попадет точно в цель.
И тут на сцену явился CRISPR! Он прост в эксплуатации и программировании. Нужно лишь задать ему последовательность нуклеотидов, и он разрежет по ней ДНК клетки любого живого организма точно в том месте, где вы ему укажете. Его уже изучают в сотнях лабораторий по всему миру для самых разных нужд генной науки — от лечения рака и обезвреживания малярийных комаров до выведения генетически улучшенных растений и животных.
Создали эту волшебную технологию две женщины с короткими стрижками, — блондинка и брюнетка, — биохимики Дженнифер Доудна и Эммануэль Шарпентье. На церемонии вручения им трех миллионов долларов за прорыв в области медицины одна широко улыбалась, а другая очень смущалась.
Им обеим прочат Нобелевскую премию, но сколько бы премий ученые ни получили, никого из них нельзя назвать изобретателем CRISPR. Они в лучшем случае позаимствовали эту технологию. А ее настоящим создателям никакие научные премии не светят. Ведь бактериям не вручают премий.
Ножницы и фоторобот
«Когда наша лаборатория начала работу над CRISPR, — рассказывает Шарпентье, — мы пытались расшифровать механизмы, объясняющие способность бактерий выживать в человеческом организме. И в 2007 году обнаружили CRISPR — оборонительную систему, которая защищает бактерии от вирусов».
Чудодейственный CRISPR/Cas9 — не что иное, как иммунная система бактерий. Бактерии, будучи одноклеточными, не могут позволить себе специальных иммунных клеток, как люди, и им приходится вертеться. CRISPR (расшифровывается как Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats — короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами, а Cas9 расшифровывается как CRISPR associated protein 9 — ассоциированный с CRISPR белок № 9), эти самые палиндромные повторы, являющиеся частью бактериальной ДНК, работают как база фотороботов особо опасных преступников, в роли которых выступают вирусы-бактериофаги.
Если бактериофаг внедрит свою ДНК в бактерию, ее собственные белки оборачиваются против нее и начинают вместо полезных для бактерии вещей производить новые вирусы. Если бактерия не справится с вирусом, она просто лопнет, выпуская наружу новые, только что изготовленные вирусы. А бактерии-победительницы прилагают все усилия, чтобы в будущем так не рисковать. Они берут обрывки вирусной ДНК, встраивают в свою в виде CRISPR и пользуются ими для опознания агрессоров.
слева: Эммануэль Шарпентьесправа: Дженнифер ДоуднаФото: Bianca Fioretti, Hallbauer & Fioretti/commons.wikimedia.org
Когда уже знакомый вирус попадает в бактерию, кусок ДНК вируса распечатывается в виде РНК как фоторобот, а фоторобот этот выдается белку-детективу Cas9. Белок плавает по клетке, пока не наткнется на ДНК, какое-то место в которой совпадает с РНК-портретом. Тогда РНК совмещается с ДНК, белок садится сверху и режет ДНК точно по указанной в РНК рисочке. В итоге вирусная ДНК оказывается разрезанной на кусочки и уже не может навредить бактерии.
Продолжив кинометафору, мы можем сказать, что у нас наконец-то есть ножницы, которым можно выдать кусок негатива той сцены, которую мы хотим вырезать, а уж они залезут в клубок пленки, отыщут нужный эпизод и разрежут ее именно там, где нам надо.
Генный драйв
А что потом, спросите вы? ДНК так и останется разрезанной? Разве ею можно будет пользоваться в таком виде? Нет, в таком виде ДНК пользоваться нельзя, но если бы наши клетки выходили из строя каждый раз, когда в ДНК что-нибудь ломается, мы бы долго не протянули.
Знаете, например, что каждый раз, когда мы выходим на яркое солнышко, в ДНК клеток кожи под воздействием ультрафиолетового излучения происходят мутации, которые могли бы вызвать рак кожи? К счастью, мы не заболеваем раком, повалявшись часок на пляже. Почему? Потому что наши клетки в процессе эволюции развили множество механизмов, которые постоянно чинят такого рода поломки. В том числе и разрыв двойной спирали ДНК. Если живой клетке разрезать ДНК, она ее сошьет. А если ей помимо этого еще и подсунуть много правильных кусков вместо вырезанных неправильных, велик шанс, что она вставит правильный ген на место неправильного. Понятно, что здесь у ученых еще полно работы, связанной с точной настройкой этих механизмов, но, например, на мышах, на которых это все тестируется, такой подход работает на удивление хорошо.
С другой стороны, есть много ситуаций, когда на место вырезанного гена не нужно вставлять ничего. Например, в случае с ВИЧ мы просто хотим вырезать вирусную ДНК из нашего собственного генома. Простая инъекция CRISPR крысам, например, уменьшила у них количество зараженных ВИЧ клеток вдвое (с 99% до 47%).
Похожим образом может работать и борьба с раком. Раковые клетки не уничтожаются собственной иммунной системой человека, потому что организм принимает их за свои, какими они и были до мутации. Если же с помощью CRISPR вырезать из клеток иммунной системы гены, не дающие им бороться с раком, или добавить им гены белков, которые помогут распознавать раковые клетки, наш иммунитет сможет бороться с раком примерно так же эффективно, как с любой другой инфекцией. В 2016-м году в США и Китае уже были одобрены клинические испытания модифицированных CRISPR клеток на человеке.
Существуют и более сложные схемы. Поступило, например, предложение, искоренить малярию путем генетического модифицирования малярийных комаров. Если вшить комару не только ген, помогающий сопротивляться малярии, но и ген самого CRISPRа, то при их экспрессии сами клетки будут производить CRISPR-системы, которые начнут их модифицировать. Такая технология называется «генный драйв» и при использовании на комарах, например, приведет к тому, что мутация в геноме будет не растворяться в популяции, а нарастать в геометрической прогрессии. Это может привести к тому, что в течение нескольких лет малярийные комары станут иммунными к малярии.
Или к тому, что во всей популяции возникнут необратимые непредвиденные мутации, если что-то в системе пойдет не так… И это верно не только для комаров. CRISPR используется всего несколько лет, а его возможные применения уже измеряются десятками, если не сотнями. При этом на обдумывание возможных медицинских, экологических или этических проблем ни у кого не остается времени.
Настороженные ученые призывают тщательно взвесить возможные последствия ошибок или неправильного использования такого мощного инструмента. Дженнифер Доудна, например, рассказывает, как присутствовала в 2014 году на презентации одного аспиранта, который создал вирус, вносящий CRISPR в организм мыши. Мышь вдыхает вирус, и это позволяет CRISPR-системе создать у мыши мутации, моделирующие человеческий рак легких. Первооткрывательницу CRISPR пробрала тогда дрожь: небольшая ошибка в дизайне направляющей РНК могла привести к созданию вируса, вызывающего рак легких и у людей. «Очень страшно становится, когда думаешь, что студенты могут работать с такими вещами, — говорит она. — И важно, чтобы люди отдавали себе в этом отчет».
Опыты на людях
Самой сложной и, наверное, самой интересной темой, связанной с CRISPR, является, конечно, модифицирование человеческого генома. Уже в 2015-м году китайские ученые провели серию экспериментов над нежизнеспособными человеческими эмбрионами с целью лечения у них бета-талассемии — потенциально смертельного заболевания крови. Из 86 эмбрионов выжил 71, у 28 из них был успешно удален поврежденный ген. Это явственно показывает, что пока технология CRISPR недостаточно отточена, чтобы применяться на людях. Операция должна заканчиваться успехом практически в 100% случаев, чтобы использоваться на живых эмбрионах, ведь генетические изменения, внесенные в эмбрион на ранней стадии развития, попадут и в половые клетки, а значит, будут иметь возможность закрепиться в генетическом пуле человечества. Пока что ученые предлагают ввести временный мораторий на генетическую модификацию зародышей, до тех пор, пока не будут определены этические нормы, а техники не будут отточены.
Кадр из фильма «CRISPR технология для редактирования генома» (https://vimeo.com/118031032)Фото: vimeo.com/AstraZeneca
Но вся эта ситуация в целом напоминает состояние информационных технологий в 70-е годы прошлого века. Компьютеры были дорогими, громоздкими и медленными, они совершали много ошибок, но уже умели делать то, чего никакими другими средствами достичь было нельзя. И они очень быстро развивались. Кто мог подумать тогда, что через 40 лет информационные технологии станут неотъемлемой частью повседневной жизни?
Людям особенно интересно, можно ли будет запрограммировать своему ребенку сильные мышцы, красивые волосы, гениальный интеллект, бессмертие? Чисто теоретически все это возможно, и исследования ведутся по многим направлениям. Но какие бы нормы ни были приняты по этим вопросам, и куда бы ни зашло развитие технологий, будущие поколения запомнят начало XXI века, как время конца биологической эволюции человека и время начала новой, контролируемой, биотехнологической эволюции вида Homo Sapiens.
При создании текста были использованы материалы American Scientist, CBS, Time и Nature.
