Будущее генетики

Представьте будущее, в котором вы сможете сами выбирать рост и цвет глаз своих детей. Можете даже зайти в своих фантазиях дальше. Вообразите, будто размер вашего домашнего питомца идеально адаптирован под жизнь в квартире. Помечтайте о растениях, которые цветут дольше. Задумайтесь об избавлении от болезней, которые считаются неизлечимыми. И это — только самые очевидные перспективы, которые открывает перед нами генетическое редактирование. Поверьте, о реальных выгодах от корректировки генов вы еще не подозреваете.

Мировое научное сообщество без малого семьдесят лет занимается изучением того, как работает генетика. С 1953 года известно, что молекула ДНК структурно похожа на сдвоенную спираль. Уже в 1961 году учёные экспериментально доказали, что код ДНК составляется при участии аминокислотной последовательности белков. С шифрованием генетической информации непосредственно связаны кодоны — тройные пары оснований. 

Но эти открытия — просто начальная платформа для дальнейших открытий. К примеру, генетик Королевского колледжа Лондона Роберт Пломин заявляет, что ДНК — единственный стабильный и долговременный источник знаний о том, кем мы являемся. В своей новой книге «Blueprint» он делает вывод, что ДНК — это «на 100% надёжный предсказатель судьбы». 

Исследования уже продвинулись от теории к стадии практического использования. Американская компания Genomic Prediction заявила, что готова приступить к отбору «самых умных» эмбрионов из числа тех, что подходят для искусственного оплодотворения. Предполагается, что отсев на основе полигенных показателей интеллекта гарантирует рождение ребёнка с хорошими умственными способностями. Коллеги «Геномик Предикшн» из Китая зашли ещё дальше. В медиа просачиваются сообщения о появлении человеческих младенцев с генами, отредактированными по технологии CRISPR. Это наталкивает на мысль, что генную инженерию можно применять для создания «дизайнерских младенцев». Причём велик шанс, что скоро изменения можно будет вносить не только во внешность, но и в интеллектуальные задатки детей. 

Всё это кажется выдумкой, проникшей в реальный мир из голливудского фильма-антиутопии. Но кое-что из этого действительно существует. Технология CRISPR продолжает развиваться, и в будущем генетическое редактирование перестанет быть диковинкой.

Модифицирование генов в лабораторных условиях доступно человечеству уже несколько десятилетий. Почему же интерес к теме достиг пика сейчас? Дело в том, что технический прогресс достиг точки, в которой изменение генов производится с потрясающей скоростью и точностью. «Нуклеаза цинкового пальца», TALEN, CRISPR-Cas9… Звучные и непонятные названия из мира редактирования генов пугают общественность. Чтобы вы понимали суть этих технологий и не поддавались пустой панике, разберём их на примере CRISPR.

CRISPR — это аббревиатура. На английском языке она расшифровывается как Сlustered Regularly Interspaced Short Рalindromic Repeats. За сложным названием скрывается ряд коротких последовательностей ДНК. Эти повторяющиеся участки разделены так называемыми «спейсерами». Они в кодировании не участвуют. 

Интерес к функции CRISPR возник у учёных при изучении особенностей генетического кода бактерий и одноклеточных микроорганизмов. Исследователей заинтересовало устройство их иммунной системы. Она давала необычайно хорошую защиту от атак вирусов. 

Последовательность CRISPR была открыта в 1987 году. Спустя два десятилетия Лучано Марраффини и Эрик Зонтхаймер опубликовали прорывную научную статью. В ней они назвали CRISPR «универсальным инструментом для редактирования генов». Учёные даже попытались запатентовать свои открытия. Однако заявка была отклонена. Причиной отказа стало то, что в документации исследователи не привели примеров, практических результатов работы. 

Поэтому подтверждения невероятного потенциала CRISPR пришлось подождать до 2012 года. Свою руку к новой публикации приложили доктора философии Дженнифер Дудна и Эммануэль Шарпантье. Совместная работа сотрудницы Калифорнийского института и французского микробиолога стала настоящей вехой в сфере биотехнологии.

Важный вклад в исследования также внёс Фэн Чжан, американский генный инженер родом из КНР. В 2013 году он подверг детальному осмотру терапевтические приложения CRISPR. Исследования проводились на лабораторных мышах и человеческих клетках. На ранних этапах Чжану оказывал помощь гарвардский генетик Джордж Черч.

Дудна, Шарпантье, Чжан и Черч стали центральными фигурами, настоящими звёздами генной инженерии. Они образовали 3 терапевтических стартапа CRISPR: Editas Medicine , CRISPR Therapeutics и Intellia Therapeutics. В 2016 году все три компании получили публичный статус. Сейчас компании находятся на этапе разработки или доклинического тестирования новых препаратов. Весь мир ожидает демонстрации их достижений. 

Можно с уверенностью прогнозировать высокую терапевтическую ценность CRISPR для человека. Результаты исследований, проведённых на мышах, однозначно указывают на положительный эффект применения CRISPR. А ведь геном мышей на 90% совпадает с геномом человека. Поэтому эти млекопитающие грызуны считаются идеальными кандидатами для предварительного тестирования.

Эксперименты на мышах дали прекрасные результаты. С помощью CRISPR удалось отключить дефектный ген, провоцирующий развитие мышечной дистрофии Дюшена (МДД). Также технология сумела погасить образование смертоносных белков, сопровождающих течение болезни Хантингтона. И, конечно, ярчайшим достижением стало устранение ВИЧ-инфекции. 

Подвижки наблюдаются и в областях биотехнологии, не связанных напрямую с медициной. В 2015 году китайские генные инженеры отчитались о том, что им удалось вырастить двух супер-мускулистых собак гончей породы «бигль». Из ДНК псов был исключён ген миостатина, отвечающий за поддержание нормального роста мышц. Без него у биглей развилась мышечная гипертрофия. Собаки с отредактированным геном оказались намного мускулистее своих сородичей.

Известно и о других случаях экспериментальной модификации генов животных. Например, учёные подправляли наследственную информацию длинношерстных коз, чтобы получить улучшенную шерсть для производства кашемира. Так в чём же феномен CRISPR? Чтобы понять это, необходимо рассмотреть его структуру и функции подробнее. Итак, CRISPR представляет собой короткие полоски повторяющихся последовательностей ДНК, которые соединены спейсерами. Бактерии используют сегменты с генетическими последовательностями как своеобразные «карты памяти». На них записывается информация о каждом вирусе, когда-либо нападавшем на микроорганизм. 

Внесение таких «заметок» проходит довольно оригинальным способом. Бактерия включает ДНК вируса в свой геном в качестве спейсера в последовательности CRISPR. Это можно назвать своего рода прививкой. Бактерия, впустившая в свой геном ДНК вируса, защищена от его новых нападений.

После активации эти гены начинают вырабатывать белки-ферменты Cas. Миссия ферментов — разрезание ДНК. Наиболее удобная для генной инженерии разновидность таких «молекулярных ножниц» — белок Cas9. Поэтому технология CRISPR-Cas9 применяется для внесения модификаций в организмы животных и человека.

Простая аналогия для функционала CRISPR-Cas9 — опция «Найти и заменить», знакомая любому пользователю Microsoft Word. В текстовом редакторе можно убрать неправильное слово и поставить на его место другое. Так же поступают генные инженеры. Они замещают генный материал на сторонние фрагменты, лучше отвечающие требованиям. Характер и предназначение нового куска в паззле ДНК могут быть самыми разными. Дженнифер Доудна в книге «Трещина в творчестве» сравнивает такую вариативность с швейцарским ножом: мы можем выбирать из кучи инструментов нужный в зависимости от того, для чего собираемся его использовать.

Эффективность технологии CRISPR-Cas9 держится на трёх компонентах. Первый — Guide RN A, разработанный в лаборатории. Это отдельный участок РНК, который указывает на местоположение целевого гена. Второй — CRISPR, те самые «молекулярные ножницы». Третий — это фрагмент ДНК, подобранный на замену удалённому.

Схематически процесс изменения ДНК выглядит так: Guide RN A, как навигатор, отыскивает на цепочке ДНК сегмент под замену и помечает нулевую точку для разреза. Когда Cas9 достигает пункта, указанного РНК, он проводит двухцепочечное рассечение ДНК. В освободившийся проём вставляется подготовленный фрагмент ДНК. 

Стоит заметить, что тестирование технологии CRISPR на животных продвигалось быстрее. Попытки провести изменения генома человека тормозились из-за этических споров и непроработанной правовой базы. Американское управление FDA, занимающееся контролем за качеством лекарств, подходило к проектам CRISPR очень осторожно. В мае 2018 года агентство заблокировало проведение первых испытаний на людях. Экспериментаторам из CRISPR Therapeutics пришлось дать развернутые ответы о специфике исследований, связанных с разработкой лекарства от серповидноклетчатой анемии. Запрет сняли в апреле того же года. 

Практически одновременно с этим специалисты Пенсильванского университета приступили к оценке безопасности CRISPR для больных с множественной миеломой, меланомой и саркомой.

CRISPR Therapeutics параллельно с бостонской компанией Vertex Pharmaceuticals занимается вопросом лечения бета-талассемии. Это болезнь, при которой в крови аномально увеличивается количество эритроцитов. Лидерство в разработке пока за Therapeutics: фирма уже приступила к официальным клиническим испытаниям своей терапии. 

Применение CRISPR уже имеет подтверждённые результаты. В августе 2017 года биолог-репродуктолог Шухрат Миталипов из Орегонского университета провёл процедуру устранения мутаций, вызывавших утолщение сердечной мышцы. Человеческие эмбрионы, прошедшие модификацию, на 72% оказались свободными от мутаций. Это почти на четверть уменьшило риск развития патологий сердца у зародышей. При естественном наследовании вероятность появления отклонений оценивается в 50%. 

Китай официально приступил к испытанию технологии CRISPR на людях в 2015 году. Основные сферы применения — борьба с ВИЧ, ВПЧ и разными формами рака. Получены обнадёживающие результаты терапии для больных запущенными видами рака. По предварительной информации, опухоли у нескольких наблюдаемых пациентов уменьшились.

Сейчас сложно оценить все риски, связанные с CRISPR. Никто не знает, какие побочные эффекты могут проявиться в долгосрочной перспективе. Преобразование генетического материала пока остаётся надеждой на излечение для больных, которым не помогла традиционная медицина.     

В ноябре 2018 года в СМИ просочилась информация о том, что китайский учёный Хэ Цзянькуй создал первых в мире человеческих младенцев с отредактированными генами. Эмбрионам-близнецам Лулу и Нана, по сообщениям источников, во время процедуры ЭКО улучшили устойчивость к заражению ВИЧ. 

Косвенное подтверждение этой информации предоставил сам учёный. Выступая на Втором международном саммите по редактированию генома человека, Хэ Цзянькуй достаточно прозрачно намекнул на свои достижения. Также он опубликовал на видеохостинге YouTube несколько роликов, посвящённых своей работе.

В январе 2019 года китайские власти официально признали о факт вмешательства Хэ Цзянькуя в ДНК человека. Так как учёный не получал разрешения на работу с CRISPR, его деятельность подверглась расследованию со стороны контрольных органов. Вдобавок учёный потерял должность в Южном университете науки и технологий.

Возможности CRISPR можно использовать не только в медицине. Многообещающие задачи появляются в пищевой промышленности, сельском хозяйстве, промышленной биотехнологии. Система модифицирования генов относительно проста, и это позволяет допускать к CRISPR исследователей из ряда научных дисциплин. 

Перспективным направлением стало внедрение методов CRISPR в фармацевтику. Цель —улучшение свойств уже существующих препаратов. Удачно получается работать с антибиотиками, эффективность которых снижается из-за появления новых устойчивых штаммов вирусов. Ежегодно такие патогены заражают более 2 миллионов человек, 23 тысячи из них погибают.

Чтобы исправить эту безрадостную картину, профессор фармацевтических наук Джейсон Питерс предложил новый способ анализа антибиотических функций патогенных бактерий. Этот метод стал известен под названием Mobile-CRISPRi. Он не предполагает проведения разрезов на цепи ДНК. При его применении просто снижается количество белка, производимого конкретными генами. В таком состоянии материал проще изучить: ученые получают точное представление о том, как антибиотики препятствуют распространению бактериальных патогенов. Полученная информация помогает вывести оптимальные способы повысить эффективность лекарственных антибиотиков. Метод Питерса уже опробован на бактериях листерии, сальмонеллы, стафилококка и ещё ряда инфекций. 

Способности CRISPR востребованы в сельскохозяйственной и пищевой промышленности. Изменение климата мешает возделыванию сельхозкультур. К примеру, из-за жаркой и сухой погоды усложняется культивирование деревьев какао. Непривычные температурные режимы увеличивают убытки производителей, которые и так теряют часть урожая из-за патогенных заболеваний растений.

За решением проблемы промышленники обратились к генным технологиям. Институт инновационной геномики Калифорнийского университета создаёт сорта какао, способные сопротивляться возбудителям болезней. Поддержку проекту оказывает MARS Inc., крупнейший поставщик шоколада. 

Редактирование генов способно избавить человечество от нехватки основных пищевых культур: картофеля, помидоров, зерновых. Технические возможности уже сейчас находятся на уровне, позволяющем в ближайшие годы вывести на рынок продукты с изменённым ДНК. Прорыв откладывается из-за острожной позиции надзирающих органов, таких как Министерство сельского хозяйства США. 

Ещё одна подающая надежды сфера использования CRISPR — промышленная биотехнология. Меняя природу микробов, можно выводить новые штаммы. Если исходить из целей промышленности, они пригодятся для модификации и разработки новых химических продуктов. В частности, речь идёт о биоматериалах и высокоэффективном биотопливе. Крайне широк диапазон возможностей CRISPR в создании новых химикатов: от активных ароматных компонентов для парфюмерии до составов для промышленной очистки. 

Подытоживая обзор открывающихся возможностей, можно смело заявить: если мы знаем местоположение нужного гена, CRISPR даёт нам инструменты для его изменения в практически любую сторону.

Выходит, что в будущем мы будем буквально создавать себе окружение под свой вкус. Уже сейчас любители домашних животных гипотетически могут смоделировать кошку или собаку с заданным окрасом, длиной и густотой шерсти. Семьям, мечтающим о детях, открывается свобода выбора роста и цвета глаз малыша. Если бы мы могли изолировать гены, влияющие на интеллектуальные способности, этим тоже можно было бы манипулировать.

Критики продолжают считать, что методами CRISPR допустимо пользоваться только в терапевтических целях. Но технология давно вышла за её пределы. Трудно представить, что её развитие замедлится в ближайшее время. 

Приложения технологии CRISPR так же многочисленны и разнообразны, как формы жизни. Одновременно с реформами в терапевтической медицине и пищевой промышленности появляются инициативы, направленные на развитие малоизвестных, но вполне реальных приложений CRISPR-Cas9.

В их числе — ксенотрансплантация, то есть трансплантация клеток, тканей или органов животного в организм человека. 

Численность людей, нуждающихся в трансплантации, всегда превышает количество органов, попадающих в распоряжение медучреждений. Ксенотрансплантация сократит очереди на пересадку. 

Процесс трансплантации упрощённо можно представить в виде трёх последовательных действий:

Первое: стволовые клетки человека вводятся в живую свинью.

Второе: стволовые клетки развиваются внутри организма свиньи, происходит их разделение на группы по предназначению;

Третье: стволовые клетки модифицируются через Cas9 и переходят к этапу превращения в клетки того типа, который предусмотрен задачей: для сердца, печени, поджелудочной железы и так далее. 

Реальность проведения межвидовых трансплантаций доказана практически. Тестирование проводилось на мышах, в тела которых поместили стволовые клетки крыс. С помощью CRISPR-Cas9 отключался ген, отвечающий в эмбрионах мышей за формирование поджелудочной железы. Его место занимали стволовые клетки крыс. Как и было запрограммировано, у мышей выросла крысиная поджелудочная железа. 

На волне успеха предпринимались попытки повторить эксперимент, но уже с внедрением человеческих стволовых клеток в эмбрионы свиньи. Однако через 4 недели после начала работ исследование прекратили, заметив риск нарушения безопасности. На принятие решения об остановке повлияли и недостаточно убедительные промежуточные результаты. Хотя исследователи отметили, что некоторые стволовые клетки всё же начали превращаться в зародыши человеческих тканей.

Заметных успехов в подготовке к ксенотрансплантациям добился генетик, молекулярный инженер и химик Джорджа Чёрч. Его компания eGenesis пытается вырастить в организме свиньей органы, пригодные для пересадки в тело человека. В августе 2017 года Черч со своими сотрудниками модифицировал более 60 генов в эмбрионах свиней. Этот колоссальный труд был проделан для того, чтобы избавиться от ретровирусов — из-за них происходит отторжение пересаженных органов.

Пока исследователи только ищут способ вырастить человеческие клетки у живого животного. Когда это получится, станет доступно создание органов, индивидуально спроектированных под пациента. Для клиента риск отторжения трансплантированных материалов или органов станет минимальным. Ведь чтобы их вырастить, возьмут стволовые клетки пациента, в которые заложена его собственная, уникальная ДНК. 

Ситуация с редактированием генов динамично меняется. Взяться за прогнозирование вектора его развития на 100, 50 или даже 10 рискнёт только смельчак или ясновидец.Возможно, в будущем станет нормальной практикой настройка или проектирование генов растений, животных и даже людей. И тогда генофонд и ход эволюции ждут бесповоротные изменения.

Всё больший интерес учёных-генетиков вызывают вопросы взаимодействия генов и факторов окружающей среды. С августа 2019 года британский биобанк получает образцы и медицинскую информацию от 500 000 добровольцев. Срок действия этой инициативы — до трёх десятилетий. Предполагается, что собранная за этот период база станет самой большой в мире. Информация, оцениваемая в 61 миллион фунтов стерлингов, поможет в изучении многоуровневых связей между генами, образом жизни, условиями окружающей среды и болезнями. 

Также наблюдается всплеск внимания к фармакогеномике, изучающей то, как реакция организма на лекарства зависит от генов. Изначально дисциплина была нацелена на анализ побочных эффектов от приёма медикаментов. Однако после появления генной инженерии вскрылся непредусмотренный факт: изменение ДНК может привести к падению эффективности препаратов. 

Неожиданных выводов хватает и в книге «Взлом Дарвина». В ней футуролог Джейми Метцель разбирает научные и исторические прецеденты, связанные с генетикой. Двигаясь по хронологическим вехам, он обозревает пройденный этой наукой путь. Путь от постыдной популярности евгеники до первого «ребёнка из пробирки». Это — попытка предугадать последствия технических сдвигов, которые мы наблюдаем. Этот анализ интересен, но насколько точно по нему можно спрогнозировать облик здравоохранения будущего? Быстрый прогресс и новые приложения, которые учёные открывают с поразительной частотой, подстёгивают взрывное развитие генетики. Сложно угадать, что произойдёт с медициной даже в ближайшие годы.