Рост, цвет кожи, некоторые вкусовые предпочтения – все эти и многие другие признаки достаются нам по наследству от родителей. К сожалению, порой «подарки» от мамы с папой могут быть не слишком приятными. И это не просто низкий рост или излишне обильный волосяной покров на груди, а не поддающиеся лечению смертельные заболевания. Еще недавно человеку, получившему настолько неудачную комбинацию генов в наследство, можно было лишь посочувствовать. Однако сегодня у таких людей появился шанс, ведь информацию в их клетках можно переписать.
Что в ДНК тебе моем
Прежде чем говорить о редактировании, для начала стоит вспомнить о том, что, собственно, такое геном и как он устроен. Геном – это совокупность всех генов нашего организма. Он содержит всю информацию о нас, начиная от цвета глаз или склонности к полноте и заканчивая списком заболеваний, которые могут проявиться сразу после рождения или с возрастом.
Ген – это участок ДНК, который кодирует определенный признак. Впрочем, могут быть вариации: иногда один ген отвечает за несколько наследуемых признаков, иногда, наоборот, информация об одном признаке закодирована в нескольких генах. ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) – длинная завернутая в спираль молекула, в которой и закодирована информация об организме. Она состоит из чередующихся молекулярных звеньев – нуклеотидов. Длина цепи ДНК зависит от того, какому виду она принадлежит. У простейших организмов, например вирусов, в ней может быть «всего» несколько тысяч звеньев. А у высших организмов, в том числе и у человека, счет идет на миллиарды. Если извлечь ДНК человека из одной-единственной клетки и размотать, получится тонкая нить длиной два метра.
А ведь ДНК хранится не в одной клетке. Его копии есть в каждой клетке нашего тела. Если устройство организма сравнить с домом, то в каждом кирпиче-клетке хранится план всего строения. Это было бы довольно удобно во множестве областей: представьте, сколько, к примеру, древних дворцов и храмов человечество смогло бы восстановить, найдя в руинах всего один фрагмент.
Впрочем, есть в нашем организме клетки, которые несут не полную копию чертежа, а лишь его половину. Это половые клетки, предназначенные для передачи потомкам. Во время оплодотворения материнская клетка с половинкой чертежа сливается с отцовской клеткой, несущей вторую половину. Архитектор бы сказал, что если сложить вместе два чертежа разных зданий, выйдет полная ерунда и строение непременно рухнет. Но в нашем случае получится нечто уникальное – новый человек, несущий в себе черты и мамы, и папы.
К сожалению, ребенок может унаследовать не только лучшее от обоих родителей. Сложись комбинация генов определенным образом – и он получит в наследство заболевание, от которого страдал двоюродный прадедушка и которое способно испортить человеку всю жизнь, а то и вовсе прекратить ее.
Сор в избе
Однако считать, что вся наша ДНК содержит сплошь важную информацию, было бы ошибкой. Функциональны менее 10% всех генов – на них исправно синтезируются белки, которые отвечают за определенные признаки. Но чем же занимаются оставшиеся 90% и для чего они нужны?
Конечно, есть на этом складе и полезные вещи. Например, в эти 90% входят промоторы – участки ДНК, на которые садится фермент, чтобы синтезировать с молекулы ДНК РНК (рибонуклеиновую кислоту). Сюда же входят теломеры, защищающие концы хромосом, а также центромеры, которые обеспечивают правильное расхождение хромосом по разным полюсам клеток во время деления.
Но большая часть хранящейся там ДНК действительно бесполезна. Здесь можно встретить различные псевдогены – участки, очевидно, некогда бывшие полноценными генами, кодировавшими какой-то белок и отвечавшими за некий признак, но в ходе эволюции необходимость в них пропала. Теперь эти участки висят мертвым грузом, напоминая ученым, заглянувшим в глубины генома, о событиях, происходивших десятки тысяч лет назад.
Хранятся здесь и остатки вирусов. Очевидно, давным-давно они встраивались в организм наших предков да там и остались – и теперь передаются из поколения к поколению, не принося никакой пользы, но и не мешая. Способность встраиваться в ДНК присуща и современным микроорганизмам из группы ретровирусы (к ним относится, к примеру, ВИЧ). И, очевидно, механизм проникновения в клетку за годы не слишком изменился.
Геном ретровирусов хранится не в ДНК, а в похожей на нее молекуле РНК. Поэтому, попав в клетку, вирус первым делом преобразует РНК в ДНК. Затем он разрезает ДНК клетки хозяина и встраивает в нее собственную наследственную информацию. Готово – теперь все, что клетка будет делать со своими генами, она будет проделывать и с генами вируса.
Тем временем на новоявленном участке ДНК активно идет синтез новых вирусных РНК. Молекулы упаковываются в белковые оболочки вирусных частиц и выходят наружу. Теперь эти мини-бомбы замедленного действия готовы поражать другие цели и заражать новых жертв.
Однако не всегда вирус побеждает. Иногда клетка выигрывает, и вирус теряет способность размножаться и засыпает, не проявляя активность и не вредя хозяину. После этого он остается бесполезным грузом, который передается от родительской клетке дочерней. А если вирус сумеет проникнуть в половые клетки или окажется в эмбрионе на раннем этапе его развития, его ждет удивительное путешествие сквозь поколения.
Иногда спящие вирусы могут просыпаться. Но не всегда это грозит человеку чем-то плохим. Группа ученых из Стэнфордского университета проследила за пробуждением вируса HERVK в трехдневном эмбрионе. По всей видимости, вирусный геном создавал противовирусную защиту, чтобы другие его собратья не смогли прорваться и навредить зародышу.
Найти и уничтожить
От вирусов страдают не только люди и животные, но и куда более мелкие организмы – бактерии. Несмотря на то, что они примитивнее, кое в чем микробы могут дать нам фору. Например, они научились избавляться от непрошеных вставок у себя в геноме.
Для этого у крошечных микроорганизмов имеется своя иммунная система, получившая название CRISPR/Cas. CRISPR – это система хранения «фотороботов» вирусов. Cas – это белки-убийцы, способные вырезать чужеродную вставку из родной ДНК бактерии и восстановить целостность исходного кода.
Но как же вирусы попадают в этот каталог подозреваемых? По всей видимости, иммунная система недоверчиво относится ко всем активно размножающимся молекулам ДНК в бактерии. А ведь именно это и характерно для вируса: попав в клетку, он стремится воспроизвести как можно больше своих копий, чтобы уничтожить хозяина и продолжить заражение других организмов. Не тут-то было: столь подозрительное поведение привлекает к себе внимание и вынуждает принять меры. Белки вырезают чужеродные ДНК, а родная молекула восстанавливается.
После этого остаются обрывки наследственной информации вируса. Именно по ним в следующий раз опознает агрессора система CRISPR. И когда враг снова проникнет внутрь, он будет моментально уничтожен, прежде чем начнет активно размножаться.
Сегодня ученые поставили бактериальный иммунитет на службу человечеству. Ведь вместо фоторобота вируса системе CRISPR можно вручить любую последовательность генов. Как только она ее отыщет, белкам Cas будет дана команда, и они вырежут неугодный кусок из генома хозяина, после чего обрывки цепи ДНК будут склеены.
Cистему CRISPR/Cas можно использовать не только для редактирования генома, но и для диагностики заболевания. Исследователи из Массачусетского технологического института, Института Броуда и ряда других центров выпустили статью, в которой показали новые возможности применения бактериального иммунитета. Если есть подозрения, что человек заражен каким-либо вирусом или микроорганизмом, систему знакомят с РНК «подозреваемого» и запускают в организм больного. Если CRISPR/Cas находит совпадение, она подает исследователям знак, и те, в свою очередь, понимают, чем болен человек.
Новый метод получил имя «Шерлок». Он оказался точнее и дешевле, чем уже существующие анализы, и поэтому наверняка быстро выйдет на медицинский рынок.
Длинные пальцы
CRISPR/Cas – не единственная система, позволяющая редактировать геном растений и животных. Все началось еще в 1960-е, когда были открыты ферменты рестриктазы и лигазы. Рестриктазы способны находить определенную последовательность нуклеотидов и разрезать ДНК в этом месте, а лигазы – сшивать цепочку обратно, восстанавливая ее целостность. Комбинацию из рестриктаз и лигаз до сих пор используют для редактирования генома вирусов и бактерий, однако метод непригоден для работы с животными и растениями. Их геном содержит огромное количество повторяющихся последовательностей, и в результате рестриктаза просто не может определить, какое именно место нужно разрезать. С высшими организмами требуются более серьезные методы.
И они есть – «Цинковые пальцы» и TALEN. В основе обоих методов лежит система белковых комплексов (в первом случае, как и следует из названия, в нее входят молекулы цинка). Одна часть комплекса распознает нужный, порой довольно длинный участок ДНК, а вторая делает разрез в требуемом месте.
На сегодняшний день самой дешевой, точной и часто используемой технологией считается CRISPR/Cas, хотя TALEN также находит свое применение в медицине.
Исправить записанное
Пожалуй, если опросить людей, какие болезни они считают самыми страшными, первые места займут рак и СПИД. Неудивительно, что ученые, работающие с методикой редактирования генома, обратили свои взгляды на эти заболевания. И первые успехи уже есть. Врачам из больницы Грейт Ормонд Стрит, расположенной в Великобритании, удалось спасти маленькую девочку от агрессивной формы лейкоза.
Когда Лейле Ричардс было всего три месяца, у нее диагностировали страшную болезнь. Сперва ребенка пытались лечить традиционными в ее случае методами – химиотерапией и пересадкой костного мозга, однако они не дали никаких результатов. Заболевание было признано неизлечимым, но родители девочки уговорили докторов не сдаваться и попробовать экспериментальное лечение.
С помощью технологии TALEN ученые отредактировали донорские клетки иммунной системы таким образом, чтобы те убивали все опухолевые клетки и при этом сами были неуязвимы для препаратов, которые продолжала принимать маленькая пациентка. А потом, по признанию самих врачей, произошло чудо: экспериментальное лечение сработало. Донорские клетки иммунной системы истребили опухоль, а после повторной пересадки костного мозга организм ребенка смог восстановиться. Контрольный анализ показал, что сейчас у девочки нет и следов болезни.
ВИЧ хоть и перестал быть приговором, из-за которого люди сгорали за считанные месяцы, к сожалению, по-прежнему остается тяжелейшим заболеванием. И хотя больные, регулярно принимающие назначенные им препараты, могут десятилетиями жить с вирусом в организме, все-таки его наличие снижает их качество жизни и накладывает ряд ограничений. Кроме того, современные препараты доступны не всем заболевшим, поэтому ученые продолжают искать средство, которое позволило бы раз и навсегда избавиться от болезни.
СПИД вызывает вирус иммунодефицита человека, который, попав в организм, встраивается в его клетки и начинает там размножаться. Лекарства не способны заставить его покинуть насиженное место. Зато его можно оттуда вырезать.
Это попробовали сделать американские исследователи. Несмотря на то, что эксперимент проходил на мышах, зараженные клетки были вполне человеческими, пересаженными грызунам от людей-доноров. И благодаря системе CRISPR/Cas из них удалось удалить практически все копии ВИЧ: вирусная активность упала на 80 – 90%.
Конечно, пока что рано говорить о полном излечении (в конце концов, результат был не 100%), да и мыши – это не приматы, куда более близкие нам. Но радует то, что первый шаг сделан, и он был успешен. Со временем технология усовершенствуется, и вскоре мы узнаем и о людях, навсегда излечившихся от этого страшного заболевания.
И слепые прозреют
В будущем редактирование генома поможет излечить многие случаи слепоты и глухоты. Уже сделаны первые подвижки в этом направлении, правда, пока опять же на мышах.
Исследователи из Национального института глаза в США сумели остановить дегенерацию сетчатки у грызунов, вызванную мутацией в одном из генов, контролирующих развитие фоторецепторов. У мышей, как и у людей, есть фоторецепторы двух типов – палочки и колбочки. Колбочки ответственны за цветное зрение, палочки помогают видеть в темноте и, помимо этого, питают и поддерживают колбочки. Из-за поломки в гене чаще всего гибнут палочки, но следом за ними начинают умирать и колбочки. В результате появляется пигментный ретинит, который заканчивается полной слепотой.
Когда сетчатка развивается, два типа фоторецепторов возникают из одних и тех же клеток-предшественников. За их дифференциацию отвечает ген Nrl. Однако в нем могут появляться различные мутации, вызывающие нарушения в этой слаженной системе.
Ученые попытались попросту выключить Nrl после формирования фоторецепторов – и это помогло. После того как ген «замолчал», палочки несколько изменили свою форму и перестали чувствовать свет. Но они остались в живых и продолжали поддерживать жизнь колбочек. А это означает, что грызуны смогли сохранить зрение.
Генная терапия сработала лучше на молодых мышах, чем на пожилых, однако прогресс был заметен у всех грызунов: разрушение сетчатки если не прекратилось, то существенно замедлилось.
Другой пример чудесного мышиного исцеления с помощью редактирования генома представили ученые из Гарварда. Они смогли улучшить слух грызунам из специальной генетической линии Бетховен, названной в честь великого композитора, страдавшего от потери слуха. У искусственно выведенной линии грызунов в гене Tmc1 имеется мутация, мешающая нормальной работе слуховых клеток во внутреннем ухе. Из-за этого мыши со временем глохнут, так как их слуховые клетки постепенно гибнут. С людьми, страдающими от этой мутации, случается то же самое.
В норме грызуны линии Бетховен становятся полностью глухими к восьмой неделе жизни. И уже к четвертой неделе они не способны слышать звуки тише 75 – 80 децибел, что можно сравнить со звуком, которые издают некоторые электроприборы. Исследователи вводили редактирующую машину мышам только в одно ухо – чтобы потом сравнить изменения слуха с исходным состоянием. И результаты оказались удивительными – пролеченным ухом животные слышали звуки от 60 децибел, что сравнимо с тихим разговором. На втором, «контрольном» ухе ситуация не изменилась. Впрочем, до здоровых мышей, которые способны воспринимать 30 – 40 децибел, мышкам-бетховенам пока далеко, да и со временем их слух продолжил ухудшаться. Тем не менее разница в 10 – 15 децибел весьма ценна для того, кто теряет слух. И даже если метод пока не работает в полную силу, он все равно значительно улучшит состояние таких больных.
Дорогая, я отредактировал детей
Редактировать геном взрослого человека довольно сложно, ведь исправлять ошибку нужно во всех клетках организма. Куда проще избавиться от наследственных заболеваний на более раннем этапе. Например, на эмбриональной стадии развития, когда клеток еще не так уж много.
Такие эксперименты сегодня довольно активно проводятся. Материалом для них служат эмбрионы возрастом до 14 дней, «выбракованные» в ходе ЭКО – искусственного оплодотворения вне тела женщины. Во время этой процедуры врачи специально создают больше зародышей на тот случай, если не все из них выживут.
Например, группа южнокорейских и американских ученых сумела избавить эмбрионы от гипертрофической кардиомиопатии. Это передающееся по наследству заболевание, из-за которого развивается утолщение стенки левого, а иногда и правого желудочка, а также неправильное расположение мышечных волокон в миокарде. Болезнь, вызванная мутациями в нескольких генах, нередко приводит к летальному исходу. И, конечно, люди, страдающие этим недугом, не хотели бы передавать ее по наследству своим детям.
В исследовании ученые получали зародыши от мужчины, страдающего гипертрофической кардиомиопатией. В норме вероятность у подопытного завести здорового ребенка была бы 50%: половина его сперматозоидов несла бы правильный ген, а вторая половина – неисправный. Однако исследователям удалось повысить шансы на успех до 72%.
Китайские же ученые сумели избавить зародышей от талессемии – тяжелого заболевания крови. Правда, успешны были не все попытки: из 86 эмбрионов от дефектного гена удалось избавить лишь 4. Но исследователи не расстраиваются и планируют дальше работать над совершенствованием метода, ведь для того, чтобы его допустили к клинической практике, эффективность должна приблизиться к 100%.
Редактированию генома эмбриона пророчат большое будущее. Метод мог бы быть востребован наряду с ЭКО и использоваться в комбинации с ним. Пары, в которых мать или отец являются носителем тяжелого заболевания, обращались бы в центры планирования семьи, чтобы медики помогли им родить здорового ребенка.
Работа над ошибками
К сожалению, на сегодняшний день ни один метод редактирования генома не совершенен. Порой редактирующие машины начинают исправлять те места, которых не должны были касаться. Для отслеживания таких ситуаций были разработаны специальные программы, предсказывающие, куда, помимо непосредственной цели, может направиться тот же CRISPR/Cas. Это позволяет в какой-то мере предотвратить ненужное редактирование. Однако даже хитроумные алгоритмы пока не всегда могут угадать, что еще окажется отредактированным.
Например, в уже упомянутом эксперименте на мышах с дегенеративным заболеванием сетчатки удалось исправить не только сломанный ген. Всего ученые обнаружили в подвергшихся редактированию грызунах более полутора тысяч мелких мутаций и около сотни крупных. Правда, при этом животные никак не пострадали: либо были затронуты не слишком важные участки, либо сработали некие компенсаторные механизмы.
Тонкий лед
Сегодня многие не одобряют сам принцип редактирования генома, в том числе и некоторые ученые. Кому-то это не нравится просто из-за того, что происходит вмешательство в природу, но более прагматичные специалисты опасаются, что человечество вступит в эру евгеники. Что именно нужно редактировать, а что – нет? Понятно, что стоит исправить дефектный ген, увеличивающий риск рака или заболеваний сердечно-сосудистой системы. А если у ребенка будет обнаружена склонность к депрессии? Или к ожирению?
Кроме того, теоретически, если можно избавить человека от грозящих ему заболеваний, то почему бы заодно не сделать его светловолосым, голубоглазым и более умным. И даже если каждую заявку от родителей будет обрабатывать специальный комитет по этике, грань между необходимостью и вкусовщиной все равно тонка. К примеру, неясно, насколько оттопыренными должны быть уши, чтобы считаться дефектом. А если поставить мораторий на редактирование внешности, как быть с такими отклонениями, как заячья губа?
Кроме того, большинство генов отвечают не за один, а за несколько признаков. И как знать, возможно, участок ДНК, ответственный за склонность к депрессии, оттопыренным ушам или полноте, одновременно с этим, к примеру, уменьшает риск развития каких-то заболеваний. Все тонкости генного редактирования ученые смогут понять только со временем.
Технология редактирования генома пока лишь разрабатывается. Однако вместе с тем она уже успела спасти несколько жизней. Хочется верить, что с годами она будет все точнее и что через несколько лет к этому методу сможет прибегнуть любой нуждающийся.
