Сьогодні вчені-генетики тримають у руках свого роду чарівну лампу Аладдіна, і джину, який може вибратися з неї, під силу повністю змінити світ. Технологія CRISPR/Cas9, або «молекулярні ножиці», здатна як позбавити людину тяжких захворювань, так і бути спрямованою на створення «дизайнерських дітей», у геном яких, на прохання батьків, вносяться зміни.
Відтоді, як 2012 року Дженніфер Дудна й Еммануель Шарпантьє запропонували використовувати механізм CRISPR/Cas9 для редагування генів (за що 2020 року були удостоєні Нобелівської премії), ця технологія набула надзвичайно широкого розвитку. Лікування генетичних і онкологічних захворювань, недуг серця та крові, різного роду інфекцій — усе це стало цілком можливим із появою нового наукового методу. Великі надії на технологію покладають не тільки в науці та медицині, а й у сільському господарстві, промисловості, судовій експертизі тощо.
За оцінками аналітиків, торік ринок CRISPR перевищив 900 млн дол. і в наступні десять років зростатиме на 24–29% щорічно. При тому що вартість редагування генома неухильно знижуватиметься.
Про те, як із цією технологією працюють в Україні, ZN.UA поговорило з доктором біологічних наук, старшим науковим співробітником Інституту молекулярної біології та генетики НАН України Оксаною Півень. Сьогодні вона з маленькою донькою перебуває в Польщі і продовжує експерименти зі свого проєкту в Інституті експериментальної біології ім.Ненського ПАН.
Як працюють «молекулярні ножиці»?
— Про неймовірні можливості технології отримання генетично модифікованих організмів говорили вже давно. Чому такий сплеск інтересу до цієї теми? Чим технологія CRISPR/Cas відрізняється від класичного модифікування генів?
— ГМО — це організм, у який прицільно внесено якусь зміну, наприклад чужий ген із бактеріальним токсином. Це робилося старішими технологіями, дуже трудомісткими й малоефективними. Спочатку створювалася конструкція ДНК, яка містила необхідну зміну. Потім її напрацьовували на простіших організмах, скажімо бактеріях. Далі потрібна конструкція вбудовувалася в геном стовбурових клітин тварини, якій планувалося внести зміни. Після цього клітини, в геном яких потрібна генна конструкція вбудовувалася, підсаджували в ембріон на рівні бластоцисти, тобто невдовзі після запліднення.
Потім ембріон із потрібною зміною вноситься в матку сурогатної матері, свинці, мишці тощо. Народжене в результаті потомство ще не буде повністю ГМО — воно буде химерою, тобто поєднуватиме два різні типи генів. Тільки якщо стовбурові клітини із вбудованою конструкцією започаткували статеві органи тварини, вони успадковуватимуться. І навіть у разі успіху потрібно буде ще кілька разів схрестити тварин, щоб отримати чисту лінію.
Є спрощені варіації, коли ми не вносимо нашу конструкцію у стовбурову клітину, а робимо ін'єкцію в запліднений ембріон. Тоді ефективність буде ще нижча, а відбирати, аналізувати та схрещувати потрібно ще більше.
— Ефективність і швидкість — це вже CRISPR/Cas?
— Технологія «молекулярних ножиць» — це і CRISPR/ Cas-системи, і деякі інші — дозволяє трохи спростити шлях і підвищити ефективність події в рази.
— Ви використовуєте обидві технології?
— Зараз дуже багато комбінацій цих технологій. Усе залежить від мети й завдання. Це ще один інструмент, дешевший і ефективніший, щоб робити досить прицільні зміни в геномі рослин, тварин.
Ось свіжа історія. У США людині пересадили серце генетично модифікованої свині.
Учені виключили три власних гени в геномі свині, один свинячий ген приглушили і шість генів людини внесли. Це дало можливість нашій імунній системі не сприймати свиняче серце як повністю чуже. Безумовно, це підвищує шанси на приживлення органу й не потребує використання досить складних схем пригнічення імунної системи людини.
— Як це стало можливим?
— Знаючи послідовність генома свинки, ми можемо виключити гени, котрі відповідають за сумісність наших клітин. Із допомогою CRISPR/Cas-систем внести розриви в цих генах просто. Далі клітина сама, без хімії, без ГМО, своїми натуральними механізмами ремонту ДНК латає цю діру. Але латати треба швидко, і вона дуже часто помиляється. Тоді виникають так звані індел-мутації, коли частинка ДНК зможе випасти або ж, навпаки, вбудуватися зайвий фрагмент. Образно кажучи, змінюється синтаксис у ДНК, і вся клітинна інженерія сприймає це як «стоп», через що ген не читається.
Офтаргет-ефект
— Система може помилятися?
— Як і все в цьому світі, технологія CRISPR/Cas теж не ідеальна. Є дві великі групи цих систем, ми говоритимемо про ту, де вся ця машина забезпечується одним білком. Там дуже просто. У вас є молекулярні ножиці — один великий білок, який і ріже ДНК. Але йому треба сказати, де саме потрібно різати. Існує так звана направляюча РНК, і ми, знаючи, як записаний потрібний нам ген, можемо задати систему координат. Це як GPS-навігатор, що вказує, де білку-ножицям розрізати ДНК. Саме тому ми можемо дуже прицільно вносити ці зміни. Але річ у тому, що ця CRISP-РНК дуже маленька, відповідно в геномі можуть бути схожі ділянки, і після того, як вона поріже те, що було повністю схоже на неї (тобто повністю їй комплементарне), вона може помилково порізати схожі місця. Це називають офтаргет-ефект, який може спричинити цитотоксичність.
— Через пошкодження зайвих клітин?
— Клітина не завжди здатна відновити надміру порізану ДНК, тоді така клітина самознищується, щоб урятувати всю популяцію.
— Як часто таке виникає?
— Коли систему CRISPR тільки адаптували, навчилися з нею працювати, офтаргет-ефект міг становити до 50%. Але залежно від того, в яких клітинах це робилося, з якими варіантами CRISPR-систем. На сьогодні цей ефект уже значно знижено, а ефективність роботи самої системи підвищено.
— Який тепер цей відсоток?
— Він дуже варіюється залежно від того, в яких клітинах це робиться. Переважно частота небажаних мутацій уже не перевищує фону мутацій, які виникають у нас спонтанно без жодних втручань.
Томати для релаксації
— Де зараз застосовуються CRISPR-системи, і які перспективи їх використання?
— У глобальному плані, перспективи використання цієї системи колосальні — це, практично, всі сфери нашої діяльності. Крім самої генетики, це може бути, наприклад, сільське господарство, де такі методи можуть застосовуватися для створення рослин із потрібними властивостями. Недавно в Японії схвалили для вживання в їжу людини томати, в геном яких було внесено зміни CRISPR-системою, завдяки чому в томатах аміномасляної кислоти (ГАМК), що сприяє зниженню артеріального тиску (гіпертензії) і релаксації, міститься в кілька разів більше.
Це, безумовно, медицина. Сьогодні вже понад 100 доклінічних досліджень у світі відбуваються з використанням CRISPR-систем редагування генома. Насамперед ідеться про спадкові та захворювання крові, скажімо гемофілію. Технологія дає можливість виправити мутацію в ДНК гемопоетичних стовбурових клітин, щоб прибрати асоційований із патологією ген.
— Ви займаєтеся також розробками, пов'язаними з медициною, — відновленням серця після інфаркту.
— Понад 15 років ми вивчаємо гени в серці, — їх лише три. І нас цікавить їхня роль у розвитку й формуванні ембріонального серця в адаптаціях дорослого серця до навантажень, фізичних тренувань наприклад. Тобто генетика серця в нормі й патології. Проєкт із CRISPR для нас відносно молодий. Це новий для нас напрям, але неймовірно цікавий. Ідея полягає в тому, щоб, використовуючи один із варіантів системи CRISPR, перепрограмувати клітини сполучної тканини (фібробласти) в робочі клітини серця — кардіоміоцити.
— Навіщо?
— Після інфаркту чи з віковими змінами кардіоміоцити гинуть і заміщаються фібробластами. Для серця це спосіб зберегти цілісність тканини, але із втратою функції. Стратегія перепрограмування клітин може допомогти поліпшити функцію ушкодженого серця.
У нашому проєкті ми використовуємо варіант системи CRISPR, яка вже не ріже ДНК. Методами мутагенезу вона позбавлена такої властивості, але, як і раніше, зв'язується з ДНК, дотримуючись інструкції, яку ми їй дамо. Понад те, така система несе з собою вантаж — спеціальні білки, що вміють активувати гени, тобто сприяють зчитуванню з них інформації. Наша ідея в тому, щоб із допомогою такого варіанта CRISPR включити гени, відповідальні за розвиток кардіоміоцитів.
Як очистити наші клітини від коронавірусу?
— Ми говорили про хвороби крові, серця, спадкові. Чи можна «вирізати» аутоімунні захворювання?
— Вони, як і деякі інші складні захворювання — аутизм, шизофренія, діабет тощо, не конче виникають внаслідок мутації в певних генах. А якщо й розвиваються, це може бути багато генів, цілі кластери. Якщо взяти аутизм, на сьогодні показано, що при цьому захворюванні можуть бути задіяні понад 100 генів. Внісши якесь виправлення, тобто вирізавши неправильну букву й поставивши правильну тільки в одному гені, ми можемо не вирішити проблему. Ба більше, слід пам’ятати, що такі захворювання можуть бути результатом взаємодії між генами. І це вже набагато складніші речі, до яких людство якщо й підбереться з допомогою схожих технологій, то далеко не завтра.
— Бачила роботи щодо СНІДу. Ця хвороба нібито теж зачіпає багато систем організму.
— СНІД — захворювання, яке розвивається внаслідок інфікування вірусом імунодефіциту людини. Це означає, що в клітинах імунної системи людини паразитує вірус. Потрапити в організм він може через свої специфічні ворота — рецептор CCR5. Ми можемо виключити цей рецептор на рівні гена. Його не буде. Інший варіант, який також зараз перебуває на стадії доклінічних і клінічних досліджень, — із допомогою CRISPR/Сas-систем порізати вірусну РНК, яка вже «живе» у клітинах. Тобто CRISPR/Сas-система використовується для того, щоб «очистити» наші клітини від вірусу. Вірусу герпесу, Епштейна—Барр, гепатиту…
— Коронавірусу?
— Так, є зараз і такі розробки. Системи дозволяють узяти в пацієнта його власні клітини, обробити, підчистити, виключити вірусні геноми та підсадити чисті клітини назад. Це привабливо, оптимістично, і є дуже добрі результати. Тому це вже досить близьке майбутнє.
— Траплялася інформація про роботи з онкологічними захворюваннями. Нещодавно Бі-Бі-Сі повідомило, що за допомогою методу редагування основ вдалося вилікувати від лейкемії дівчинку-підлітка.
— Є дуже цікаві. Зараз розробляються Т-клітини й САR-Т клітини, які допомагають нашій імунній системі розпізнавати пухлину і додатково спрямовують усю потугу імунної системи на боротьбу з раковими клітинами. Такі карти клітин додатково «прокачують» CRISPR/Сas-системою або «цинковими пальцями» (інший метод редагування генома).
Якщо говорити про роботи в лабораторіях, там робляться колосально цікаві речі! Вони виглядають фантастично навіть для мене. Наприклад, експериментальне дослідження онкоклітин сечового міхура. Було розроблено систему, коли один компонент CRISPR/Сas-системи, наприклад білок, працює під контролем певного промотора— контролюючого елемента, який дає команду зчитувати інформацію з гена, але призначену тільки для клітин сечового міхура. Інший елемент CRISPR/Сas-системи працює під чітким контролем елемента, універсального для злоякісних клітин. Тобто коли ми вводимо пацієнтові (сподіваюся, це буде вже років через десять) таку систему, то складання обох елементів відбувається виключно в ракових клітинах сечового міхура. І тільки в цьому типі клітин система працюватиме.
А далі ми можемо запрограмувати цій системі завдання включити в цих клітинах ген, що спрямовує клітини в апоптоз, — це природний механізм смерті клітини. Геніально, на мій погляд.
Чи можна відредагувати ембріон
— А на рівні ембріона? Сьогодні є способи ще до народження дитини дізнатися, які спадкові захворювання можуть розвинутися в неї в дорослому віці. Чи під силу нам «виключити» такі гени?
— Так, ми зразу можемо побачити ймовірні проблеми. Але подивімося тепер із погляду логістики. У вас є вагітна жінка, у першому триместрі зробили аналіз і побачили, що в дитини щось не так. Як ви в ембріон внесете CRISPR/Сas-систему?
Тут є дуже багато обмежень. Як ми будемо вводити — системно чи в конкретному місці? Коли йдеться про захворювання крові, тут простіше: взяли в пацієнта певну популяцію клітин, обробили й повернули назад. Але якщо це міодистрофія Дюшена? Системно введемо нашу конструкцію в русло крові чи у м'язи? Крім того, на кожному етапі введення нашої конструкції наш організм ставить безліч бар'єрів. І ефективність терапії знижується.
Тим паче що зараз редагування генома ембріона заборонене в усіх країнах світу. Лише в деяких дозволені дослідження з використанням штучних ембріонів або бракованих, які залишаються після процедури ЕКО. Ми говорили, що навіть найідеальніші CRISPR/Сas-системи можуть помилятися, і всього спектра можливих помилок і наслідків ми ще не знаємо.
— Які дослідження проводять зі штучними ембріонами?
— Процедура ЕКО дозволяє уникнути проблем, про які я казала, і внести зміни в геном на рівні однієї клітини — яйцеклітини та сперматозоїда, — ще перш ніж злилися їхні геноми. Ці ембріони вирощують до передімплантаційної стадії й вивчають. Таких робіт було опубліковано шість-сім. Але, враховуючи результати, в наших руках ще немає точних технічних інструментів, які б дали можливість ідентифікувати й сказати, що ось ця конкретна мутація є спонтанною, а не наслідком офтаргет-ефекту роботи системи CRISPR.
— Але в принципі такі зміни ми вже вміємо вносити?
— Технічно можливо внести CRISPR/Сas-систему на рівні запліднення разом зі сперматозоїдом, і вона робитиме те, що ми скажемо. Причому цей варіант внесення разом зі сперматозоїдом до злиття геномів і поділу зиготи дозволяє уникнути такого серйозного ускладнення як химеризм.
Чи можна «прокачати» дитину ще на рівні ембріона?
— Як це може виглядати з погляду етики? Хто визначає, які зміни можна вносити, хто контролює?
— Усе, що стосується змін у геномі ембріонів, у принципі вважається неетичним і нині заборонене. Тут є багато думок і поглядів. По-перше, всі релігії, конфесії не сприймають цього зі зрозумілих причин: людина перебирає на себе місію творця. З іншого боку, є абсолютно наукова підстава: робити це ще рано. Я, наприклад, аргументую тим, що ми ще не досконало знаємо особливості роботи системи та можливості її помилок. Це одна проблема. Інша — ми не до кінця знаємо функції кожного гена, й особливо — взаємодію між ними, їхню колаборацію, кооперацію.
Прикладом саме може бути робота професора Хе Цзянькуя, завдяки якому з'явилися перші генно-модифіковані дівчатка-близнюки. У них був виключений ген, із допомогою якого ВІЛ потрапляє в організм людини.
Однак з’ясувалося, що цей ген виконує ще безліч функцій. Його продукт — перший бар'єр захисту при інфікуванні грипом. І статистика показує, що така мутація (яку вніс дітям професор Хе Цзянькуй) поширена в європейців. У них вона підвищує ризик смерті від грипу вп'ятеро. Також цим людям важко боротися з вірусом жовтої лихоманки, вірусом Денге, і ще є кілька захворювань, яких вони не зможуть подолати. Інші роботи показали, що тривалість життя в людей з мутацією в цьому гені на десять років коротша, ніж у тих, хто її не має.
Тимчасом є цікаві роботи з мишами, де показано, що коли відключити цей ген тільки в нейронах, то у тварин підвищуються когнітивні здібності, — такі миші краще запам'ятовують завдання та краще його виконують.
— Можна отримати генія, який живе недовго й постійно хворіє на грип?
— Імовірно. Також було показано, що приглушення цього ж таки гена в нервових клітинах сприяє кращому відновленню після інсульту або черепно-мозкової травми. Розумієте, ми поки що не до кінця знаємо, наскільки внесення змін у ген буде корисне чи шкідливе для всього організму, який потім виросте з ембріона. Тому навіть із погляду біології та генетики робити це дуже рано.
Є ще й соціально-етичні бар’єри. Уявіть, ви приходите в клініку й кажете: «У мене є два мільйони доларів, я хочу дитину — геніального спортсмена, співака й неймовірно креативну людину». Я не жартую, цілком можливо підібрати варіанти генів, які сприятимуть креативу або музикальному слуху, й попросити, аби все це внесли дитині. Може виникнути колосальне соціальне розшарування, — хтось зможе «прокачати» свою дитину на рівні ембріона, а хтось — ні. І тоді розшарування матиме вже штучний генетичний бекграунд. Це абсолютно неправильно. Втручатися в геном ембріональних клітин можна лише в тому випадку, коли решта способів не дають можливості врятувати життя.
— Але хто прийматиме такі рішення?
— Всі разом. Це буде і вже обговорюється в наукових дискусіях. Поступово сформується єдиний погляд на проблему. Сьогодні абсолютно етичним вважається вносити зміни в соматичні клітини (тіла, диференційовані), щоб урятувати життя (наприклад, при гемофілії). Маючи інструмент, не допомогти людині було б неетично. Як абсолютно неетичним вважається втручання на рівні генома ембріонів, і особливо створення «дизайнерських» дітей.