Майбутнє генетики

Уявіть майбутнє, в якому ви зможете самі вибирати зріст і колір очей своїх дітей. Можна навіть піти далі у своїх фантазіях. Уявіть, що розмір вашого домашнього улюбленця ідеально адаптований для життя в квартирі. Помрійте про рослини, які цвітуть довше. Подумайте про позбавлення від хвороб, які вважаються невиліковними. І це лише деякі очевидні перспективи, які відкриває перед нами генетичне редагування. Повірте, реальні вигоди від коригування генів ви ще навіть не уявляєте.

Світова наукова спільнота вже майже сімдесят років займається вивченням того, як працює генетика. З 1953 року відомо, що молекула ДНК структурно схожа на подвійне спіралі. Уже в 1961 році вчені експериментально довели, що код ДНК складається за участю амінокислотної послідовності білків. Шифрування генетичної інформації безпосередньо пов’язано з кодонами — трійками пар основ.

Але ці відкриття — лише початкова платформа для подальших відкриттів. Наприклад, генетик Королівського коледжу Лондона Роберт Пломін стверджує, що ДНК — єдине стабільне і довготривале джерело знань про те, хто ми є. У своїй новій книзі «Blueprint» він робить висновок, що ДНК — це «на 100% надійний предсказувач долі».

Дослідження вже просунулися від теорії до практичного використання. Американська компанія Genomic Prediction оголосила, що готова приступити до відбору «найрозумніших» ембріонів для штучного запліднення. Передбачається, що відбір на основі полігенних показників інтелекту гарантуватиме народження дитини з хорошими розумовими здібностями. Колеги з Китаю пішли ще далі. В медіа з’явилися повідомлення про народження людських немовлят з відредагованими генами за технологією CRISPR. Це натякає на можливість використання генетичної інженерії для створення «дизайнерських немовлят». І є велика ймовірність, що скоро зміни можна буде вносити не лише у зовнішність, але й в інтелектуальні здібності дітей.

Усе це може здаватися вигадкою, яка потрапила в реальний світ з голлівудського фільму-антиутопії. Але частина цього вже існує. Технологія CRISPR продовжує розвиватися, і в майбутньому генетичне редагування перестане бути чимось незвичним.

Модифікація генів у лабораторних умовах доступна людству вже кілька десятиліть. Чому ж інтерес до цієї теми досяг піку саме зараз? Справа в тому, що технічний прогрес досяг такої точки, коли зміна генів здійснюється з приголомшливою швидкістю і точністю. «Цинковий пальцьовий нуклеаз», TALEN, CRISPR-Cas9… Звучні і незрозумілі назви з світу редагування генів лякають громадськість. Щоб ви розуміли суть цих технологій і не піддавались непотрібній паніці, розглянемо їх на прикладі CRISPR.

CRISPR — це абревіатура, яка розшифровується як Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats. За складною назвою ховаються короткі послідовності ДНК. Ці повторювані ділянки розділені так званими «спейсерами», які не беруть участі в кодуванні.

Інтерес до функцій CRISPR виник у вчених при вивченні особливостей генетичного коду бактерій та одноклітинних організмів. Дослідників зацікавила їх імунна система, яка забезпечувала надзвичайно хорошу захисту від атак вірусів.

Послідовність CRISPR була відкрита в 1987 році. Через два десятиліття Лучано Марраффіні та Ерик Зонтгаймер опублікували проривну наукову статтю, в якій вони назвали CRISPR «універсальним інструментом для редагування генів». Вчені навіть спробували запатентувати свої відкриття, але заявка була відхилена. Причиною відмови стало те, що в документації дослідники не надали прикладів практичних результатів роботи.

Затвердження потенціалу CRISPR довелося чекати до 2012 року. Спільно з публікацією працювали доктори філософії Дженніфер Дудна та Еммануель Шарпантьє. Їх спільна робота стала справжньою віхою в галузі біотехнології.

Важливий вклад у дослідження також зробив Фен Чжан, американський гений інженер родом з Китаю. У 2013 році він детально вивчив терапевтичні застосування CRISPR, проводячи дослідження на лабораторних мишах та клітинах людини.

Дудна, Шарпантьє, Чжан і Черч стали центральними фігурами в генній інженерії. Вони створили три терапевтичних стартапи CRISPR: Editas Medicine, CRISPR Therapeutics і Intellia Therapeutics. У 2016 році всі три компанії отримали публічний статус. Наразі компанії знаходяться на етапі розробки чи доклінічних випробувань нових препаратів. Весь світ очікує на демонстрацію їхніх досягнень.

З упевненістю можна прогнозувати високу терапевтичну цінність CRISPR для людини. Результати досліджень, проведених на мишах, однозначно вказують на позитивний ефект застосування CRISPR. Адже геном мишей на 90% збігається з геномом людини, тому ці гризуни є ідеальними кандидатами для попереднього тестування.

Експерименти на мишах дали чудові результати. Завдяки CRISPR вдалося вимкнути дефектний ген, що провокував розвиток м'язової дистрофії Дюшена. Технологія також змогла загальмувати утворення смертельних білків, що супроводжують хворобу Хантінгтона. І, звісно, найбільшим досягненням стало усунення ВІЛ-інфекції.

Динаміка в біотехнології, не пов’язаній безпосередньо з медициною, також прогресує. У 2015 році китайські інженери повідомили про створення двох супер-мускулистих собак породи «бігль», генетичний код яких було відредаговано для виключення гена міостатину, що відповідає за нормальний ріст м'язів.

Що ж таке феномен CRISPR? Для того, щоб зрозуміти це, потрібно розглянути його структуру та функції детальніше. CRISPR — це короткі смуги повторюваних послідовностей ДНК, які з'єднані спейсерами. Бактерії використовують сегменти з генетичними послідовностями як свого роду «карти пам'яті». На них записується інформація про кожен вірус, що колись атакував мікроорганізм.

Внесення таких «міток» здійснюється оригінальним способом. Бактерія включає ДНК вірусу в свій геном як спейсер в послідовності CRISPR. Це можна порівняти з прививкою. Бактерія, що впустила в свій геном ДНК вірусу, захищена від його нових нападів.

Після активації ці гени починають виробляти білки-ферменти Cas. Місія ферментів — розрізання ДНК. Найзручніша для генної інженерії різновид таких «молекулярних ножиць» — білок Cas9. Тому технологія CRISPR-Cas9 використовується для внесення модифікацій в організми тварин та людини.

Простий аналог для функціоналу CRISPR-Cas9 — опція «Знайти та замінити» в Microsoft Word. В текстовому редакторі можна прибрати неправильне слово і поставити на його місце інше. Так само працюють генні інженери. Вони замінюють генетичний матеріал на сторонні фрагменти, що краще відповідають вимогам.

Ефективність технології CRISPR-Cas9 забезпечується трьома компонентами. Перший — Guide RNA, розроблений у лабораторії. Це окремий ділянка РНК, що вказує на місцезнаходження цільового гена. Другий — CRISPR, ті самі «молекулярні ножиці». Третій — це фрагмент ДНК, підібраний на заміну видаленому.

Процес зміни ДНК виглядає так: Guide RNA, як навігатор, шукає на ланцюзі ДНК сегмент для заміни і позначає точку для розрізу. Коли Cas9 досягає цієї точки, він робить дворазовий розріз ДНК. У вільний простір вставляється підготовлений фрагмент ДНК.

Тестування технології CRISPR на тваринах просувалося швидше. Спроби змінити геном людини зупинялися через етичні суперечки та відсутність розробленої правової бази.