Сегодня ученые-генетики держат в своих руках своего рода волшебную лампу Аладдина, и джинн, который может выбраться из нее, способен полностью изменить мир. Технология CRISPR/Cas9 или «молекулярные ножницы» способна как избавить человека от тяжелых заболеваний, так и быть направлена на создание дизайнерских детей, в геном которых по просьбе родителей были внесены изменения.
С тех пор, как в 2012 году Дженнифер Дудна и Эммануэль Шарпантье предложили использовать механизм CRISPR/Cas9 для редактирования генов (за что в 2020 году были удостоены Нобелевской премии), эта технология получила широчайшее развитие. Лечение генетических и онкологических заболеваний, болезней сердца и крови,разного рода инфекций — все это стало вполне возможным с появлением нового научного метода. Большиенадежды на технологию возлагают не только в науке и медицине, но также в сельском хозяйстве,промышленности, судебной экспертизе и другом.
По оценкам аналитиков, в минувшем году рынок CRISPR превысил 900 млн долл. и в последующие десять летбудет расти на 24–29% ежегодно. При том, что стоимость редактирования генома будет неуклонно снижаться.
О том, как с этой технологией работают в Украине, ZN.UA побеседовало с доктором биологических наук, старшим научным сотрудником Института молекулярной биологии и генетики НАН Украины Оксаной Пивень. Сегодня она с маленькой дочкой находится в Польше и продолжает эксперименты по своему проекту в Институте экспериментальной биологии им.Ненськего ПАН.
Как работают «молекулярные ножницы»?
— О невероятных возможностях технологии получения генетически модифицированных организмов говорили уже давно. Почему такой всплеск интереса к этой теме? Чем технология CRISPR/Cas отличается от классического модифицирования генов?
— ГМО — это организм, в который прицельно внесено какое-то изменение, например, чужой ген с бактериальным токсином. Это делалось более старыми технологиями, очень трудоемкими и малоэффективными. Вначале создавалась конструкция ДНК, которая содержала необходимое изменение. Потом ее нарабатывали на более простых организмах, скажем, бактериях. Далее нужная конструкция встраивалась в геном стволовых клеток животного, которому планируется внести изменения. После этого клетки, в геном которых нужная генная конструкция встраивалась, подсаживали в эмбрион на уровне бластоцисты, то есть вскоре после оплодотворения.
Затем эмбрион с нужным изменением вносится в матку суррогатной матери, свинке, мышке и так далее. Рожденное в результате этого потомство еще не будет полностью ГМО — оно будет химерой, то есть будет совмещать два разных типа генов. Только если стволовые клетки с внедренной конструкцией дали начало половым органам животного, они будут передаваться по наследству. И даже в случае успеха нужно будет еще несколько раз скрестить животных, чтобы получить чистую линию.
Есть упрощенные вариации, когда мы не вносим нашу конструкцию в стволовую клетку, а делаем инъекцию в оплодотворенный эмбрион. Тогда эффективность будет еще ниже, а отбирать, анализировать и скрещивать нужно еще больше.
— Эффективность и скорость — это уже CRISPR/Cas?
— Технология «молекулярных ножниц» — это и CRISPR/Cas-системы, и некоторые другие — позволяют несколько упростить путь и повысить эффективность события в разы.
— Вы используете обе технологии?
— Сейчас очень много комбинаций этих технологий. Все зависит от цели и задачи. Это еще один инструмент, более дешевый и эффективный, чтобы делать достаточно прицельные изменения в геноме растений, животных.
Вот свежая история. В США человеку пересадили сердце генетически модифицированной свиньи.
Ученые выключили три собственных гена в геноме свиньи, один свиной ген приглушили и шесть генов человека внесли. Это дало возможность нашей иммунной системе не воспринимать свиное сердце как полностью чужое. Безусловно, это повышает шансы на приживление органа и не требует использования достаточно сложных схем подавления иммунной системы человека.
— Как это стало возможным?
— Зная последовательность генома свинки, мы можем выключить гены, которые отвечают за совместимость наших клеток. С помощью CRISPR/Cas систем внести разрывы в этих генах просто. Дальше клетка сама, без химии, без ГМО, своими натуральными механизмами ремонта ДНК, латает эту дыру. Но латать надо быстро, и она очень часто ошибается. В этом случае возникают так называемые ИнДел-мутации, когда кусочек ДНК сможет выпасть или же наоборот встроиться лишний фрагмент. Говоря образно, меняется синтаксис в ДНК, и вся клеточная инженерия воспринимает это как «стоп», из-за чего ген не читается.
Офтаргет-эффект
— Система может ошибаться?
— Как и всё в этом мире, технология CRISPR/Cas тоже не идеальна. Есть две большие группы этих систем, мы будем говорить о той, где вся эта машина обеспечивается одним белком. Там очень просто. У вас есть молекулярные ножницы — один большой белок, который и режет ДНК. Но ему нужно сказать, где именно нужно резать. Существует так называемая направляющая РНК, и мы, зная, как записан нужный нам ген, можем задать систему координат. Это как GPS-навигатор, который указывает, где белку-ножницам разрезать ДНК. Именно потому мы можем очень прицельно вносить эти изменения. Но дело в том, что эта CRISP-РНК очень маленькая, соответственно, в геноме могут быть похожие участки, и после того, как она порежет то, что было полностью похоже на нее (то есть полностью ей комплементарно), она может ошибочно порезать подобные места. Это называют офтаргет-эффект, который может стать причиной цитотоксичности.
— Из-за повреждения лишних клеток?
— Клетка не всегда способна восстановить излишне порезанную ДНК, тогда такая клетка самоуничтожается, чтобы спасти целую популяцию.
— Насколько часто возникает подобное?
— Когда систему CRISPR только адаптировали, научились с ней работать, офтаргет-эффект мог составлять до 50%. Но в зависимости от того, в каких клетках это делалось, с какими вариантами CRISPR-систем. На сегодняшний момент этот эффект уже значительно снижен, а эффективность работы самой системы повышена.
— Каков сегодня этот процент?
— Он сильно варьируется в зависимости от того, в каких клетках это делается. В основном частота нежелательных мутаций уже не превышает фон мутаций, возникающих у нас спонтанно без всяких вмешательств.
Томаты для релаксации
— Где сейчас применяются CRISPR-системы и каковы перспективы их использования?
— В глобальном плане перспективы использования этой системы колоссальны — это практически все сферы нашей деятельности. Помимо непосредственно генетики, это может быть, к примеру, сельское хозяйство, где такие методы могут применяться для создания растений с нужными свойствами. Недавно в Японии были одобрены для употребления в пищу человека томаты, в геном которых были внесены изменения CRISPR-системой, благодаря чему в томатах аминомасляной кислоты (ГАМК), способствующей снижению артериального давления (гипертензии) и релаксации, содержится в несколько раз больше.
Это, безусловно, медицина. Сегодня уже более 100 доклинических исследований в мире проходят с использованием CRISPR-систем редактирования генома. В первую очередь речь идет о наследственных и заболеваниях крови, скажем, гемофилии. Технология дает возможность исправить мутацию в ДНК гемопоэтических стволовых клеток, чтобы убрать ассоциированный с патологией ген.
— Вы занимаетесь также разработками, связанными с медициной — восстановлением сердца после инфаркта.
— Более 15 лет мы изучаем гены в сердце — их всего три. И нас интересует их роль в развитии и формировании эмбрионального сердца в адаптациях взрослого сердца к нагрузкам, физическим тренировкам, например. То есть генетика сердца в норме и патологии. Проект с CRISPR для нас относительно молодой. Это новое для нас направление, но невероятно интересное. Идея заключается в том, чтобы используя один из вариантов системы CRISPR перепрограммировать клетки соединительной ткани (фибробласты) в рабочие клетки сердца — кардиомиоциты.
— Зачем?
— После инфаркта или с возрастными изменениями кардиомиоциты погибают и замещаются фибробластами. Для сердца это способ сохранить целостность ткани, но с потерей функции. Стратегия перепрограммирования клеток может помочь улучшить функцию поврежденного сердца.
В нашем проекте мы используем вариант системы CRISPR, которая уже не режет ДНК. Методами мутагенеза она лишена такой способности, но по-прежнему связывается с ДНК, следуя инструкции, которую мы ей дадим. Более того такая система несет с собой груз — специальные белки, которые умеют активировать гены, то есть способствуют считыванию с них информации. Наша идея в том, чтобы с помощью такого варианта CRISPR включить гены, отвечающие за развитие кардиомиоцитов.
Как очистить наши клетки от коронавируса?
— Мы говорили о болезнях крови, сердца, наследственных. Можно ли «вырезать» аутоиммунные заболевания?
— Они, как и некоторые другие сложные заболевания — аутизм, шизофрения, диабет и прочие, не обязательно возникают вследствие мутации в определенных генах. А если и развиваются, это может быть большое количество генов, целые кластеры. По аутизму на сегодняшний день показано, что при этом заболевании могут быть задействованы более 100 генов. Внеся какую-то правку, то есть вырезав неправильную букву и поставив правильную только в одном гене, мы можем не решить проблему. Более того, нужно учитывать, что такие заболевания могут быть результатом взаимодействия между генами. И это уже намного более сложные вещи, к которым человечество если и подберется с помощью подобных технологий, то далеко не завтра.
— Видела работы по СПИДу. Эта болезнь вроде бы тоже затрагивает многие системы организма.
— СПИД — заболевание, которое развивается вследствие инфицирования вирусом иммунодефицита человека. Это означает, что в клетках иммунной системы человека паразитирует вирус. Попасть в организм он может через свои специфические ворота — рецептор CCR5. Мы можем выключить этот рецептор на уровне гена. Его не будет. Другой вариант, который также сейчас находится на стадии доклинических и клинических исследований, — с помощью CRISPR/Сas-систем порезать вирусную РНК, которая уже «живет» в клетках. То есть CRISPR/Сas-система используется для того, чтобы «очистить» наши клетки от вируса. Вирус герпеса, Эпштейн-Барра, гепатита…
— Коронавируса?
— Да, есть сейчас и такие разработки. Системы позволяют взять у пациента его собственные клетки, обработать, подчистить, выключить вирусные геномы и подсадить чистые клетки обратно. Это привлекательно, оптимистично и есть очень хорошие результаты. Поэтому это уже достаточно близкое будущее.
— Встречала информацию о работах с онкологическими заболеваниями. Недавно Би-Би-Си сообщило, что с помощью метода редактирования основ удалось вылечить от лейкемии девочку-подростка.
— Есть очень интересные. Сейчас разрабатываются Т-клетки и САR-Т клетки, которые помогают нашей иммунной системе распознавать опухоль, и дополнительно направляют всю мощь иммунной системы на борьбу с раковыми клетками. Такие карты клеток дополнительно «прокачивают» CRISPR/Сas-системой или «цинковыми пальцами» (другой метод редактирования генома).
Если говорить о работах в лабораториях, там делаются колоссально интересные вещи! Они выглядят фантастически даже для меня. Например, экспериментальное исследование по онкоклеткам мочевого пузыря. Была разработана система, когда один компонент CRISPR/Сas-системы, например, белок, работает под контролем определенного промотора — контролирующего элемента, который дает команду считывать информацию с гена но, предназначенную только для клеток мочевого пузыря. Другой элемент CRISPR/Сas-системы работает под четким контролем элемента, универсального для злокачественных клеток. То есть когда мы вводим пациенту (надеюсь, это будет уже лет через десять) такую систему, то сборка обоих элементов происходит исключительно в раковых клетках мочевого пузыря. И только в этом типе клеток система будет работать.
А дальше мы можем запрограммировать этой системе задачу включить в этих клетках ген, направляющий клетки в апоптоз, — это природный механизм смерти клетки. Гениально, на мой взгляд.
Можно ли отредактировать эмбрион?
— А на уровне эмбриона? Сегодня еще до рождения ребенка мы можем узнать, какие наследственные заболевания могут развиться у него во взрослом возрасте. Можно ли «выключить» такие гены?
— Да, мы сразу можем увидеть возможные проблемы. Но давайте теперь посмотрим с точки зрения логистики. У вас есть беременная женщина, в первом триместре сделали анализ и увидели, что у ребенка что-то не так. Как вы в эмбрион внесете CRISPR/Сas-систему?
Тут есть очень много ограничений. Как мы будем вводить — системно или в конкретном месте? Если речь идет о заболевании крови, тут проще — взяли у пациента определенную популяцию клеток, обработали и вернули назад. Но если это миодистрофия Дюшена? Системно введем нашу конструкцию в русло крови или в мышцы? Кроме того, на каждом этапе введения нашей конструкции наш организм ставит множество барьеров. И эффективность терапии снижается.
Тем более что сейчас редактирование генома эмбриона запрещено во всех странах мира. Лишь в некоторых разрешены исследования с использованием искусственных эмбрионов либо бракованных, которые остаются после процедуры ЭКО. Мы говорили, что даже самые идеальные CRISPR/Сas-системы могут ошибаться, и всего спектра возможных ошибок и последствий мы еще не знаем.
— Что за исследования проводят с искусственными эмбрионами?
— Процедура ЭКО позволяет избежать проблем, о которых я говорила, и внести изменения в геном на уровне одной клетки — яйцеклетки и сперматозоида — еще до того, как слились их геномы. Эти эмбрионы выращивают до предимплантационной стадии и изучают. Таких работ было опубликовано шесть-семь. Но, учитывая результаты, в наших руках еще нет точных технических инструментов, которые дали бы возможность идентифицировать и сказать, что вот эта конкретная мутация является спонтанной, а не следствием офтаргет-эффекта работы системы CRISPR.
— Но в принципе такие изменения мы уже умеем вносить?
— Технически возможно внести CRISPR/Сas-систему на уровне оплодотворения вместе со сперматозоидом, и она будет делать то, что мы скажем. Причем такой вариант внесения вместе со сперматозоидом до слияния геномов и деления зиготы позволяет избежать такого серьезного осложнения, как химеризм.
Можно ли «прокачать» ребенка еще на уровне эмбриона?
— Как это может выглядеть с точки зрения этики? Кто определяет, какие изменения можно вносить, кто контролирует?
— Все, что относится к изменениям в геноме эмбрионов, в принципе считается неэтичным и сейчас запрещено. Тут есть много мнений и взглядов. Во-первых, все религии, конфессии не воспринимают это по понятным причинам — человек перебирает на себя миссию творца. С другой стороны, есть абсолютно научное основание — делать это еще рано. Я, например, аргументирую тем, что мы еще не досконально знаем особенности работы системы и возможности ее ошибок. Это одна проблема. Другая — мы не до конца знаем функцию каждого гена и особенно взаимодействие между ними, их коллаборацию, кооперацию.
Примером как раз может быть работа профессора Хе Цзянькуя, при помощи которого появились первые генно-модифицированные девочки-близнецы. У них был выключен ген, с помощью которого ВИЧ попадает в организм человека.
Но оказалось, что этот ген выполняет еще множество функций. Его продукт — первый барьер защиты при инфицировании гриппом. И статистика показывает, что такая мутация (которую внес детям профессор Хе Цзянькуй) распространена у европейцев. У них она увеличивает риск смерти от гриппа в пять раз. Также этим людям тяжело бороться с вирусом желтой лихорадки, вирусом Денге и еще есть несколько заболеваний, которых они не смогут преодолеть. Другие работы показали, что продолжительность жизни у людей с мутацией в этом гене на десять лет меньше, чем у тех, кто ее не имеет.
В то же время, есть интересные работы с мышами, где показано, что если отключить этот ген только в нейронах, то у животных повышаются когнитивные способности — такие мыши лучше запоминают задание и лучше с ним справляются.
— Можно получить гения, который живет недолго и постоянно болеет гриппом?
— Вероятно. Также было показано, что приглушение этого же гена в нервных клетках способствует лучшему восстановлению после инсульта или черепно-мозговой травмы. Понимаете, мы пока не до конца знаем, насколько внесение изменений в ген будет хорошо или плохо для целого организма, который потом вырастет из эмбриона. Поэтому даже с точки зрения биологии и генетики делать это очень рано.
Есть еще социально-этические границы. Представьте, вы приходите в клинику и говорите: «У меня есть пару миллионов долларов, я хочу ребенка — гениального спортсмена, певца и невероятно креативного человека». Я не шучу, вполне возможно подобрать варианты генов, которые будут способствовать креативу или музыкальному слуху, и попросить, чтобы все это внесли ребенку. Может возникнуть колоссальное социальное расслоение — кто-то сможет «прокачать» своего ребенка на уровне эмбриона, а кто-то — нет. И тогда расслоение будет иметь уже искусственный генетический бэкграунд. Это совершенно неправильно. Вмешиваться в геном эмбриональных клеток можно лишь в том случае, когда все прочие способы не дают возможности спасти жизнь.
— Но кто будет принимать такие решения?
— Все вместе. Это будет и уже обсуждается в научных дискуссиях. Постепенно сформируется единый взгляд на проблему. Сегодня совершенно этичным считается вносить изменения в соматические клетки (тела, дифференцированные), чтобы спасти жизнь (например, при гемофилии). Имея инструмент, не помочь человеку было бы неэтично. Как абсолютно неэтичным считается вмешиваться на уровне генома эмбрионов, и особенно создание «дизайнерских» детей.