Отредактировать геном
Зачем редактировать геном?
В 2018 году китайский ученый Хэ Цзянькуй из Южного научно-технологического университета в Шэньчжэне шокировал медицинское сообщество, объявив, что генетически модифицировал ДНК человеческих эмбрионов у обратившихся к нему по поводу лечения бесплодия двух женщин, и что одна из беременностей (позже подтвердили и вторую) закончилась рождением девочек-близняшек, устойчивых к ВИЧ – свойство, которое в природе встречается у небольшого количества людей. При помощи технологии CRISPR он разрушил ген, кодирующий белок, который позволяет ВИЧ проникать в иммунные клетки. Задача была уникальна еще и тем, что во всех семейных парах отцы были ВИЧ-инфицированы1.
Этот эксперимент был первой попыткой вмешательства в репродуктивную часть человеческого генома – и, видимо, еще долго останется единственным, по крайней мере, официально.
CRISPR
Изменение генома можно осуществлять различными способами. На данный момент самыми известными являются методы так называемых «цинковых пальцев» – CRISPR-Cas и TALEN. За технологию CRISPR-Cas, которая позволяет вносить очень точные изменения в геном, ее изобретательницы Дженнифер Дудна и Эммануэль Шарпентье получили в 2020 году Нобелевскую премию по химии.
Исследовательницы «подсмотрели» локусы CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats, то есть короткие сгруппированные палиндромные повторы) у бактерий и архей – те защищались таким образом от вирусов. Генетический код этих участков несет так называемые спейсеры – уникальные кусочки генома вирусов, которые когда-то проникли в бактерию, но были подавлены и встроены в геном, и теперь используются для распознавания вируса. Когда вирус снова нападает на бактерию, его находят белки Cas, несущие информацию в виде РНК о вирусных фрагментах из участка CRISPR. Если эта информация совпадает с фрагментом ДНК или РНК пришедшего вируса, то Cas его распознает, разрезает и, в конце концов, обезвреживает. При этом белок Cas9, который используется в технологии Дудны и Шарпентье, можно легко запрограммировать на поиск и связывание практически с любой желаемой последовательностью-мишенью, просто предоставив ему кусок РНК, который будет направлять его в поиске.
Сейчас доказано, что локусы CRISPR принимают участие не только в иммунитете.
В 2012 году Дженнифер Дудна и Эммануэль Шарпентье описали технологию, благодаря которой CRISPR-Cas можно использовать для разрезания молекул ДНК в любых клетках, вместо вирусного фрагмента «скормив» белку Cas РНК, соответствующую области ДНК, которую нужно разрезать в геноме. Попав в клетку, белок Cas связывается с направляющей РНК и затем перемещается по цепям ДНК, пока не найдет и не свяжется с последовательностью длиной 20 «букв» ДНК, которая совпадает с частью последовательности направляющей РНК. Учитывая, что наша ДНК состоит из шести миллиардов букв и имеет длину два метра, это потрясающая точность!
При редактировании генома при помощи CRISPR-технологии, кроме молекулы с целевой последовательностью, в клетку вводят молекулу-образец, по которому разрезанная ДНК будет «склеена» правильно. CRISPR-Cas – дешевый, простой и одновременно точный метод редактирования генома, поэтому его с радостью используют лаборатории всего мира.
Посмотреть, как происходит редактирование, можно, например, здесь.
Но почему же ученых так манит геном?
Не секрет, что вся информация об организме животных и растений записана в ДНК при помощи последовательности так называемых нуклеотидов – фосфорных эфиров гликозиламинов, то есть соединений азотистого основания (аденина, гуанина, тимина и цитозина) с сахаром, – соединенных в цепочки. Их взаиморасположение и количество обеспечивает все жизненное разнообразие на Земле – от ряда вирусов (остальные кодируются при помощи РНК) до человека.
Однако эти цепочки содержат информацию не только о здоровом организме – точно так же в ДНК записывается и информация о болезни или склонности к развитию болезни. И если эту информацию каким-то образом удалить, множество заболеваний, причем не только наследственных – как мы могли видеть выше, можно закодировать даже чувствительность к вирусу – просто исчезнут. Так, например, американцам удалось отредактировать ген, ответственный за развитие болезни Хантера, у молодого мужчины, и теперь он может вести нормальную жизнь2.
Редактирование генома – выгоды и опасности
К 90-ым годам прошлого века генетика развилась настолько, что смогла прочитать нуклеотидные последовательности геномов разных организмов, в том числе и человеческого. Но знать о наличии двери – еще не значит знать, куда именно она ведет. Поэтому одни из первых опытов ученых заключались во включении и выключении конкретных нуклеотидных последовательностей, чтобы понять, что именно они кодируют.
Так, The Human Genome Project3, начатый в 1990 году, ставил целью идентифицировать около 25 тысяч генов. В 2000 году был выпущен рабочий черновик структуры генома, а в 2003 расшифровка закончилась, однако дополнительный анализ некоторых участков ещё не закончен и по сей день.
Определение, какой участок за что отвечает, дает лучшее понимание причин развития болезней, в том числе рака, и методов их лечения и диагностики уже на уровне предрасположенности, позволяет найти причины склонности к заболеваниям отдельных этнических групп, а также открывает новые пути в исследовании теории эволюции. Расшифровка генома – это также и понимание процессов адаптации человеческих популяций к заболеваниям.
Поэтому ясно, что метод, который поможет связать последовательность нуклеотидов с определенным качеством, очень важен.
Редактирование генома предоставляет возможность осуществить все поставленные выше задачи, и, помимо того, позволяет создать модельные организмы, которые будут обладать свойствами, необходимыми для изучения какого-либо вопроса. Так, например, современные исследования рака часто проводят на специально выведенных при помощи редактирования генома больных этим видом рака мышах.
Ну и, конечно же, как уже было сказано выше, при помощи редактирования генома можно лечить заболевания. Этот метод – уже реальность, хотя и заоблачно дорогая. Истории, как родители собирают всем миром на лечение ребенка 2 миллиона долларов, не раз появлялись в СМИ – это как раз и есть пример генной терапии, в данном случае редкого заболевания под названием проксимальная спинальная мышечная атрофия, которое обездвиживает пациента. Имеют четкую привязку к геному и некоторые виды рака.
Замечательная технология, не правда ли?
Однако у нее есть и существенные недостатки. Например, редактирование генома на «неправильном» участке из-за ошибки механизма CRISPR, является одной из основных проблем, связанных с использованием редактирования генома при помощи этого метода у людей.
Неприятны также и «целевые» эффекты. Оказывается, при изменении участка гена затрагивается настолько большая часть ДНК вокруг интересующего нас гена, что можно непреднамеренно повлиять и на другие гены вокруг.
Исследование, проведенное Колумбийским университетом, показало, что в текущей версии CRISPR-Cas9 может заставить эмбрион «выбрасывать» целые куски генетического материала, отказавшись их редактировать. Ученые говорят, что клетки поступили так приблизительно в половине случаев4. А еще два независимых исследования, опубликованные на платформе bioRxiv, указывают на «побочные» изменения участков ДНК, прилегающих к изменяемому, вплоть до потери целой хромосомы5.
Перспективы
Пока что использование CRISPR и подобных ей технологий в качестве медицинского вмешательства в здоровье человека ограничено случаями, когда польза значительно превосходит все риски. Из-за «недообкатанности» метода его запретили применять для создания изменений, которые могут передаться по наследству – то есть редактирования генов зиготы или половых клеток6.
Одновременно с этим продолжаются поиски более точного способа редактирования генома.
Так, ученые из Гарвардского университета разработали новую технологию изменения генома, которую назвали RLR. В отличие от CRISPR, новый метод не требует разрезания ДНК, может вносить большое количество изменений в геном и применяться на больших популяциях клеток7.
А вот Хэ Цзянькуя, «создавший» двух устойчивых к ВИЧ девочек, был приговорен в Китае к трем годам тюремного заключения за «незаконную медицинскую практику»8. Министерство здравоохранения Китая также запретило ученым работать с репродуктивными технологиями человека, а Министерство науки – подавать заявки на финансирование исследований.
Примечания
- 1. Chinese researcher claims first gene-edited babies
- 2. AP Exclusive: US scientists try 1st gene editing in the body
- 3. The Human Genome Project
- 4. Allele-Specific Chromosome Removal after Cas9 Cleavage in Human Embryos
- 5. Genome editing in human embryos has unintended side-effects
- 6. International Commission on the Clinical Use of Human Germline Genome Editing
- 7. High-throughput functional variant screens via in vivo production of single-stranded DNA
- 8. What CRISPR-baby prison sentences mean for research
